04 单链表

目录

1. 链表的概念和结构
2. 单链表
3. OJ练习

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1. 链表的概念和结构

1.1 链表的概念

链表是一种物理存储结构上非连续、非顺序的存储结构，数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接次序实现的

1.从上图可以看出链式结构在逻辑上是连续的，物理上不一定连续
2.现实中的节点一般都是从堆上申请出来的
3.从堆上申请的空间，是按照一定的策略来分配的，两次申请的空间可能连续，也可能不连续

1.2 链表的分类

以下情况组合起来可能有8种链表结构

1.单向或者双向

2.带头或者不带头

3.循环或非循环

虽然有这么多链表结构，但我们常用的还是两种结构

无头单向非循环链表
带头双向循环
1.无头单向非循环链表：结构简单，一般一般不会单独用来存数据。实际中更多是作为其他数据结构的子结构，如哈希桶、图的邻接表等等。另外这种结构在笔试面试中出现更多

2.带头双向循环链表：结构最复杂，一般用在单独存储数据。实际中使用的链表数据结构，都是带头双向循环链表。另外这个结构虽然结构复杂，但是使用代码实现以后会发现

2. 单链表

头文件

#pragma once

//数据类型
typedef int DataType;
//结构
typedef struct _SListNode
{
	DataType data;
	struct _SListNode* pNext;
}SListNode;

//插入
void PushFront(SListNode** pHead, DataType data);
void PushBack(SListNode** pHead, DataType data);
//pos之前插入
void Insert(SListNode** pHead, SListNode* pPos, DataType data);
//pos之后插入
void InsertAfter(SListNode** pHead, SListNode* pPos, DataType data);
//查找
SListNode* Find(SListNode* pHead, DataType data);
//删除
void PopFront(SListNode** pHead);
void PopBack(SListNode** pHead);
void Erase(SListNode** pHead, SListNode* pos);
// 删除pos位置后面的值
void EraseAfter(SListNode* pos);


//打印
void PrintList(SListNode* pHead);
//销毁
void Destory(SListNode** pHead);

实现文件

#include "SList.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>

SListNode* BuyNode(DataType data)
{
	//创建新节点
	SListNode* NewNode = (SListNode*)malloc(sizeof(SListNode));
	if (NewNode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		return NULL;
	}
	NewNode->data = data;
	NewNode->pNext = NULL;

	return NewNode;
}

void PushFront(SListNode** pHead, DataType data)
{
	//新节点
	SListNode* NewNode = BuyNode(data);
	//连接
	NewNode->pNext = *pHead;
	*pHead = NewNode;
}

void PushBack(SListNode** pHead, DataType data)
{

	SListNode* NewNode = BuyNode(data);	

	//分情况，如果链表为空
	if (*pHead == NULL)
	{
		*pHead = NewNode;
	}
	else
	{
		//找链表尾
		SListNode* pTail = *pHead;
		while (pTail->pNext != NULL)
		{
			pTail = pTail->pNext;
		}

		pTail->pNext = NewNode;
	}
	
}

void Insert(SListNode** pHead, SListNode* pPos, DataType data)
{
	assert(pHead);
	assert(pPos);
	//记录当前节点
	SListNode* pCur = *pHead;
	//插入位置为第一个节点,头插
	if (pCur == pPos)
	{
		PushFront(pHead, data);
	}
	else
	{
		//找pos位置链接
		while (pCur->pNext != pPos)
		{
			pCur = pCur->pNext;
		}

		SListNode* NewNode = BuyNode(data);
		NewNode->pNext = pPos;
		pCur->pNext = NewNode;
	}
	
}

void InsertAfter(SListNode** pHead, SListNode* pPos, DataType data)
{
	assert(pPos);
	//直接将pos位置链接
	SListNode* NewNode = BuyNode(pHead);
	NewNode->pNext = pPos->pNext;
	pPos->pNext = NewNode;
}

SListNode* Find(SListNode* pHead, DataType data)
{

	SListNode* pCur = pHead;
	while (pCur != NULL)
	{
		if (pCur->data == data)
			return pCur;
		pCur = pCur->pNext;
	}
	return NULL;
}

void PopFront(SListNode** pHead)
{
	assert(*pHead);
	//记录释放指针
	SListNode* pDel = *pHead;
	//移动链表首节点
	*pHead = pDel->pNext;
	free(pDel);
}

void PopBack(SListNode** pHead)
{
	assert(*pHead);
	//记录释放指针

	//如果只有一个节点，需要将链表置空
	if ((*pHead)->pNext == NULL)
	{
		free(*pHead);
		*pHead = NULL;
	}
	else
	{
		//找链表尾
		SListNode* pTail = *pHead;
		while (pTail->pNext->pNext != NULL)
		{
			pTail = pTail->pNext;
		}
		free(pTail->pNext);
		pTail->pNext = NULL;
	}
	
}

void Erase(SListNode** pHead, SListNode* pos)
{
	assert(pHead);
	assert(pos);
	//删第一个节点,头删
	if (*pHead == pos)
	{
		PopFront(pHead);
	}
	else
	{
		//找pos位置
		SListNode* pPrev = *pHead;
		while (pPrev->pNext != pos)
		{			
			pPrev = pPrev->pNext;
		}
			pPrev->pNext = pos->pNext;
			free(pos);
	}
	
}

void EraseAfter(SListNode* pos)
{
	assert(pos);
	assert(pos->pNext);
	//断开pos位置
	SListNode* Del = pos->pNext;
	pos->pNext = Del->pNext;
	free(Del);
}

void PrintList(SListNode* pHead)
{
	SListNode* pCur = pHead;
	while (pCur != NULL)
	{
		printf("%d ", pCur->data);
		pCur = pCur->pNext;
	}
	printf("\n");
}
//一级指针无需断言,需要在调用后置空
void Destory(SListNode** pHead)
{
	assert(pHead);

	SListNode* cur = *pHead;
	SListNode* del = NULL;
	while (cur != NULL)
	{
		del = cur;
		cur = cur->pNext;
		free(del);
	}

	*pHead = NULL;
}

主文件

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include "SList.h"
int main()
{
	//SListNode* pList = NULL;
	//插入
	//PushFront(&pList, 3);
	//PushFront(&pList, 2);
	//PushFront(&pList, 1);
	//PushBack(&pList, 4);
	//PushBack(&pList, 5);
	//PrintList(pList);
	//删除
	//PopFront(&pList);
	//PopBack(&pList);
	//PrintList(pList);
	//Insert();
	//SListNode* p = Find(pList, 3);
	//Insert(&pList, p, 8);
	//PrintList(pList);
	//InsertAfter(&pList, p, 9);
	//EraseAfter(p);
	//PrintList(pList);
	return 0;
}

单链表的实现中需要注意的问题，一个是如果需要改变链表的指针位置，则需要传入二级指针。不用二级指针则需要返回新的头。assert需要断言的地方有哪些，如果操作会崩溃的地方必须断言，断言是一种严厉的检查，if判断则是温柔的检查。

在插入和删除等这些操作的时候，需要考虑只有一个节点的情况，如果传入节点可以为空，也要考虑为空的情况，pos位置的合理性也需要断言或考虑在内

在插入的时候也有一种取巧的办法，将新节点和前一个节点的值直接替换，这样在之前插入只需要遍历一次

3. OJ练习

3.1 移除元素

移除链表元素:https://leetcode.cn/problems/remove-linked-list-elements/description/

解析
这个考虑的是链表的删除操作，需要一前一后两个指针才能删除当前节点。同时，不要忘了考虑只有一个节点，头删的情况

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     struct ListNode *next;
 * };
 */
struct ListNode* removeElements(struct ListNode* head, int val) {
     struct ListNode* pPrev = NULL;
	  struct ListNode* pCur = head;

while (pCur != NULL)
{
	if (pCur->val == val)
	{
		//判断是不是第一个节点
		if (pCur == head)
		{
            //头删
            pCur = pCur->next;
            free(head);
			head = pCur;
		}
		else
		{
            //不是头删,移除元素
			pPrev->next = pCur->next;
			free(pCur);
            pCur = pPrev->next;
		}
			
	}
	else
	{
		pPrev = pCur;
		pCur = pCur->next;
	}
		
	
}


return head;
}

另一种思路，可以将不是6的元素放入新链表尾插，然后返回新的链表头。需要考虑第一个节点的情况和每次插入后下节点置空

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     struct ListNode *next;
 * };
 */
struct ListNode* removeElements(struct ListNode* head, int val) {

    struct ListNode* pCur = head;
    struct ListNode* NeoHead = NULL;
    struct ListNode* tail = NULL;

    while (pCur != NULL) {
        //不是该值的放入新链表
        if (pCur->val != val) {
            if (tail == NULL) {
                NeoHead = pCur;
            } else {
                tail->next = pCur;
            }

            tail = pCur;
            pCur = pCur->next;
        }
        //是该值释放
        else {
            struct ListNode* del = pCur;
            pCur = pCur->next;
            free(del);
        }

        //第一个节点或空链表tail不能置空
        if (tail != NULL) {
            //最后一个节点断掉
            tail->next = NULL;
        }
    }

    return NeoHead;
}

3.2 反转单链表

反转链表: https://leetcode.cn/problems/reverse-linked-list/description/

解析
两种思路大体差不多,第一种是将每个节点的指向反过来，第二种是每拿到一个节点直接头插。这里演示第二种思路，可以少一些判断

需要三个变量，cur和newhead用来头插交换指向，newhead记录新的头节点，next记录下一个用来插入的元素

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     struct ListNode *next;
 * };
 */
struct ListNode* reverseList(struct ListNode* head) {
    
    struct ListNode* newhead = NULL;
    struct ListNode* cur = head;
    while(cur != NULL)
    {
        //记录下一个插入的元素
         struct ListNode* next = cur->next;
         //头插
         cur->next = newhead;
         //移动头节点
         newhead = cur;
         //迭代
         cur = next;

    }

    return newhead; 
}

3.3 中间节点

链表中间节点https://leetcode.cn/problems/middle-of-the-linked-list/

第一种思路:
遍历求出链表长度返回需要的中间节点的链表

第二种思路：
慢指针每次走一步，快指针每次走两步，当快指针走完的时候，慢指针刚好走了链表一半，画图来分开链表奇数个和偶数个的情况

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     struct ListNode *next;
 * };
 */
struct ListNode* middleNode(struct ListNode* head) {
    
    struct ListNode* slow = head;
    struct ListNode* fast = head;

    while(fast != NULL && fast->next != NULL)
    {
        slow = slow->next;
        fast = fast->next->next;
    }

    return slow;
}

3.4 倒数第k节点

链表倒数第k个节点：https://www.nowcoder.com/practice/529d3ae5a407492994ad2a246518148a?tpId=13&&tqId=11167&rp=2&ru=/activity/oj&qru=/ta/coding-interviews/question-ranking

第一个方法: 求链表总长度，减去k就知道返回哪个节点的值
第二个方法：和上面思路一样，用一个快慢指针，让两个指针拉开差距，返回第k个节点就让快指针走几步，然后同时移动两个指针，直到快指针为空返回慢指针的值

其中有两点需要判断，如果传入的是空指针返回空，如果快指针在拉开距离的时候是空，说明要返回的值超出链表范围，也返回空

/**
 * struct ListNode {
 *  int val;
 *  struct ListNode *next;
 * };
 */

/**
 *
 * @param pListHead ListNode类
 * @param k int整型
 * @return ListNode类
 */
struct ListNode* FindKthToTail(struct ListNode* pListHead, int k ) {
    // write code here
    struct ListNode* slow = pListHead;
    struct ListNode* fast = pListHead;

//空链表
    if (pListHead == NULL) {
        return NULL;
    }
    while (k > 0) {
        //快指针为空,返回空
        if (fast == NULL)
            return NULL;
        fast = fast->next;
        k--;
    }

    while (fast != NULL) {
        slow = slow->next;
        fast = fast->next;
    }

    return slow;

}

3.5 合成链表

合并两个有序链表：https://leetcode.cn/problems/merge-two-sorted-lists/description/

将两个列表的元素挨个比较，较小的插入新链表。首先需要判断两个链表中可能有一个或两个链表都为空的情况，如果其中一个是空链表，直接返回另一个即可。在插入的过程中需要判断是不是第一个节点的情况，也就是新链表第一次插入。最后有一个链表迭代后为空时，需要将尾巴与另一个链表连接上

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     struct ListNode *next;
 * };
 */
struct ListNode* mergeTwoLists(struct ListNode* list1, struct ListNode* list2) {

    //如果有一个链表为空,返回另一个
    if(list1 == NULL)
        return list2;
    if(list2 == NULL)
        return list1;

    struct ListNode* newnode = NULL;
    struct ListNode* tail = NULL;

    while (list1 != NULL && list2 != NULL) {
        
        if (list1->val <= list2->val) {
            //是不是第一个节点
            if (tail == NULL) {
                newnode = list1;
                tail = list1;
            } else {
                tail->next = list1;
                tail = list1;
            }
            list1 = list1->next;
        } else {
            //同上
            if (tail == NULL) {
                newnode = list2;
                tail = list2;
            } else {
                tail->next = list2;
                tail = list2;
            }

            list2 = list2->next;
        }
    }
    //一个链表走完,链接另一个
    if (list1 == NULL) {
        tail->next = list2;
    }
    if (list2 == NULL) {
        tail->next = list1;
    }

    return newnode;
}

3.6 链表分割

链表分割https://www.nowcoder.com/practice/0e27e0b064de4eacac178676ef9c9d70?tpId=8&&tqId=11004&rp=2&ru=/activity/oj&qru=/ta/cracking-the-coding-interview/question-ranking

约瑟夫环，所与人围成一个圈，数到3或数到4的人自杀，什么位置才能让自己幸存到最后一个
用数组解决，挪动删除比较麻烦，所以可以直接用标记-1为已经删除的。这种更适合用链表做，删除必剪方便

思路
可以用两个链表，为了保证数据的顺序不变，将这个值大和小的节点分别尾插到两个链表。在最后，要把后面的链表尾置空，不然会循环起来。可以设置哨兵位，也可以不设置，头节点的尾插会方便很多

不带哨兵位

 ListNode* partition(ListNode* pHead, int x) {
        // write code here
        //记录链表头和当前链表尾
        ListNode* list1 = NULL;
        ListNode* cur1 = NULL;
        ListNode* list2 = NULL;
        ListNode* cur2 = NULL;

        ListNode* cur = pHead;

        while (cur != NULL) {
            //插入第一个链表
            if (cur->val < x) {
                //第一次插入
                if (list1 == NULL) {
                    list1 = cur;
                } else {
                    cur1->next = cur;
                }
                cur1 = cur;

            } else {

                if (list2 == NULL) {
                    list2 = cur;
                } else {
                    cur2->next = cur;
                }
                cur2 = cur;
            }

            cur = cur->next;
        }

        //链表为空的三种情况,分别将尾节点置空
        if (list1 == NULL) {
            cur2->next = NULL;
            return list2;

        } else if (list2 == NULL) {
            cur1->next = NULL;
            return list1;

        } else {
            cur1->next = list2;
            cur2->next = NULL;
            return list1;
        }
    }

带哨兵位

ListNode* partition(ListNode* pHead, int x) {
        // write code here\

        //两个链表的哨兵位和尾结点,哨兵位不存数据
        ListNode* head1 = NULL;
        ListNode* head2 = NULL;
        ListNode* tail1 = NULL;
        ListNode* tail2 = NULL;

        head1 = tail1 = (ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
        head2 = tail2 = (ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
        ListNode* cur = pHead;

        while (cur != NULL) {
            //判断大小插入哪个链表
            if (cur->val < x) {
                tail1->next = cur;
                tail1 = cur;
            } else {
                tail2->next = cur;
                tail2 = cur;
            }
            cur = cur->next;
        }

        //链接两个链表
        tail1->next = head2->next;
        //尾结点置空
        tail2->next = NULL;
        //更新头节点到第一个链表
        pHead = head1->next;
        //释放资源
        free(head1);
        free(head2);

        return pHead;
    }

3.7 回文结构

链表的回文结构：https://www.nowcoder.com/practice/d281619e4b3e4a60a2cc66ea32855bfa?tpId=49&&tqId=29370&rp=1&ru=/activity/oj&qru=/ta/2016test/question-ranking

思路
先找到链表的中间节点将后面的逆置，从中间节点开始和头部不断向后比。可以利用前面做过的逆置和中间节点的题

 struct ListNode* middleNode(struct ListNode* head) {

        struct ListNode* slow = head;
        struct ListNode* fast = head;

        while (fast != NULL && fast->next != NULL) {
            slow = slow->next;
            fast = fast->next->next;
        }

        return slow;
    }

    struct ListNode* reverseList(struct ListNode* head) {

        struct ListNode* newhead = NULL;
        struct ListNode* cur = head;
        while (cur != NULL) {
            //记录下一个插入的元素
            struct ListNode* next = cur->next;
            //头插
            cur->next = newhead;
            //移动头节点
            newhead = cur;
            //迭代
            cur = next;

        }

        return newhead;
    }
        bool chkPalindrome(ListNode * A) {
            // write code here

            ListNode* mid = middleNode(A);
            ListNode* rmid = reverseList(mid);
            ListNode* fast = A;

            while (rmid != NULL) {

                if(A->val != rmid->val)
                    return false;
                    //迭代
                A= A->next;
                rmid = rmid->next;
            }
            return true;
        }

3.8 相交

相交链表：https://leetcode.cn/problems/intersection-of-two-linked-lists/description/

思路
如何判断两个链表有没有相交，可以看两个链表的尾节点是不是一样，因为一个节点不能指向两个节点，所以相交的链表尾结点是一样的。计算出两个链表的长度，让长的链表先走两个的差值，这样再同时走就能找到相交的节点了

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     struct ListNode *next;
 * };
 */
struct ListNode *getIntersectionNode(struct ListNode *headA, struct ListNode *headB) {
    
    //记录尾结点
    struct ListNode * tail1 = headA;
    struct ListNode * tail2 = headB;
    //记录长度
    int len1 = 0;
    int len2 = 0;
    
    //题干链表不是空链表,所以可以直接判断下一个节点
    while(tail1->next != NULL)
    {
        tail1 = tail1->next;
        len1++;
    }

    while(tail2->next != NULL)
    {
        tail2 = tail2->next;
        len2++;
    }
    //有没有交点
    if(tail1 != tail2)
    {
        return NULL;
    }

    int gap = abs(len1 - len2);
    //短的移动
    struct ListNode * shortlist = headA;
    struct ListNode * longlist = headB;

    while(gap--)
    {
        if(len1 > len2)
            shortlist = shortlist->next;
        else
            longlist = longlist->next;
    }
    //找交点返回
    while(shortlist != longlist)
    {
        shortlist = shortlist->next;
        longlist = longlist->next;
    }

    return shortlist;
}

3.9 环形链表

是否环形: https://leetcode.cn/problems/linked-list-cycle/description/

分析
环形链表的一些图示
当进入到环形里就会不断绕着环转圈，要想看是不是环形链表，就看它遍历后的节点是否会重复，直接判断有些麻烦。可以用快慢指针，如果是环形，快指针肯定会和慢指针相遇，快指针可以一次走n步，每走一步判断是否和慢指针相等。为了方便，这里快指针一次走两步，原因在下面说明

bool hasCycle(struct ListNode *head) {
    
    struct ListNode * slow =head;
    struct ListNode * fast = head;

    //走到空或只有一个节点结束
    while(fast != NULL && fast->next != NULL)
    {
        slow = slow->next;
        fast = fast->next->next;
         if(slow == fast)
            return true; 
    }

    return false;
}

为什么快指针走两步，慢指针走一步就可以
当链表是有环的，快指针先进环，慢指针后进环。当慢指针刚进时，就可能相遇，最差的情况两个指针距离刚好走了环的长度。假设两个指针都进环时距离是N，快指针每走两步就是N+2,慢指针就是N+1，两个相减后，就是距离缩小了一步，这样循环下去，总会有追上的时候

如果快指针走N步，3步5步行不行
这种情况就会有可能一直追不上，还是上面的N，N+3减去N+1，走3步距离每次缩小两步，当之间的距离只有一步时，如果不是快指针每走一步就判断的话就会错过。因为他们的距离每次缩短N-2，可能会越过某一点。就会分环内总长度是奇数还是偶数，如果是奇数，就可能会一直错过

3.10 环链表环节点

返回环形链表入环第一个节点：https://leetcode.cn/problems/linked-list-cycle-ii/description/

思路
第一种:
假设快指针每次走两步，慢指针每次走一步。链表头到入环点的距离为L，环型的长度是C，慢指针入环后走的距离是N，慢指针走的总路程L + N，因为不存在会错过的情况，所以快指针必然在一圈内追上慢指针。快指针总路程为L + n * C + N，快指针在相遇时可能已经走了n圈，下图所示：

因为每次走两步，所以快指针的总路程是慢指针的2倍，所以有公式：
2（L+N）= L+N+nC
L和N移到左边减去有：
L+N = n C
L = n*C - N
可以理解为: L=(n-1) * (C- N)
C-N的部分刚好是入口点到meet的长度，所以L的长度和meet移动C-N后刚好是入口点

struct ListNode *detectCycle(struct ListNode *head) {
      struct ListNode * slow =head;
    struct ListNode * fast = head;

    //走到空或只有一个节点结束
    while(fast != NULL && fast->next != NULL)
    {
        slow = slow->next;
        fast = fast->next->next;
         if(slow == fast)
         {
             //定义相遇节点
             struct ListNode * meet = slow;
             //没遇到继续走
             while(head != meet)
             {
                 meet = meet->next;
                 head = head->next;
             }
             return meet;
         }
            
    }

    return false;
}

第二种思路：

将环内从meet的next处断开，看为新的链表头，和head这个链表找交点，就是入口点

struct ListNode *detectCycle(struct ListNode *head) {
      struct ListNode * slow =head;
    struct ListNode * fast = head;

    //走到空或只有一个节点结束
    while(fast != NULL && fast->next != NULL)
    {
        slow = slow->next;
        fast = fast->next->next;
         if(slow == fast)
         {
             //定义新链表,尾节点为slow
             struct ListNode * meet = slow->next;
             struct ListNode * tail1 = meet;
             int len1 = 0;
             //长链表先走
             while(tail1 != slow)
             {
                 tail1 = tail1->next;
                len1++;
             }
             struct ListNode * tail2 = head;
             int len2 = 0;
             while(tail2 != slow)
             {
                 tail2 = tail2->next;
                len2++;
             }

             int gap = abs(len1 - len2);
             while(gap--)
             {
                 if(len1 > len2)
                 {
                     meet = meet->next;
                 }
                 else{
                     head = head->next;
                 }
             }
            //同时走找第一个交点
             while(head != meet)
             {
                 head =head->next;
                 meet= meet->next;
             }

             return meet;

         }
            
    }

    return NULL;
}