【数据结构-单链表】（C语言版本）

今天分享的是数据结构有关单链表的操作和实践（图解法，图变化更利于理解）

记录宗旨📝： 眼（脑）过千遍，不如手过一遍。

我们都知道单链表是一种常见的链表数据结构，由一系列节点组成。每个节点包含两部分：数据域和指针域。

• 数据域：用于存储节点中的数据。
• 指针语：用于指向下一个节点的地址。

每个节点的指针域指向链表中的下一个节点，最后一个节点的指针域指向NULL，表示链表的结束。

链表的头节点是链表中的第一个节点。通过头节点，可以访问整个链表。

相比于数组，链表具有动态性，可以根据需要动态地插入和删除节点，而无需预先分配固定大小的内存空间。

Node1       Node2       Node3       Node4
+------+   +------+   +------+   +------+
| data |   | data |   | data |   | data |
+------+   +------+   +------+   +------+
| next |-->| next |-->| next |-->| NULL |
+------+   +------+   +------+   +------+

在上面的示例中，每个节点包含一个数据域（data）和一个指针域（next）。节点1、节点2、节点3和节点4依次连接，形成一个链表。节点4的指针域指向NULL，表示链表的结束。

通过遍历链表，可以访问链表中的所有节点，并执行相应的操作。例如，可以在链表中插入新节点、删除节点或查找特定节点等。

因此以下主要进行单链表的操作进行分析和实践

单链表的结构

其中head为头节点，head -> length: 链表的长度， head -> next：指向首元节点（储存首元节点的地址）。一次前一个节点指向后一个节点，尾节点最后一个NULL。

头文件

#include <stdio.h> // 输入输出
#include <stdlib.h> // malloc相关库使用
#include <stdbool.h> // 工具类

声明链表结构体

通过typedef声明结构体， 并给int类型起别名，便于数据类型变更的维护。

typedef int ElementType;

typedef struct s_node
{
    // 声明节点数据域
    ElementType data;
    // 声明下一个节点的指针域
    struct s_node* next;
} ListNode;

单链表的创建–头插法创建

目前有一条数据，{1,2,3,4,5}。 然后依次添加到链表中，如图：

...

我们可以看到上面的头插法就是将数据每一个新的插入在头节点head的后面，依次往复。

// 头插法创建链表, arr: 需要插入的数据， size： 需要创建链表的长度
ListNode* topInsertList(int arr[], int size) {
    ListNode* head = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
    head -> next = NULL;
    ListNode* node;
    for (int i = 0; i < size; i++)
    {
        // 为每次新增数据节点创建空间
        node = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
        // 将数据内容分别给到新创建的空间
        node -> data = arr[i];
        // 当前数据的下一个节点为插入前头节点的下一个节点地址
        node -> next = head -> next;
        // 将头节点重新赋值为当前节点
        head -> next = node;
    }
    // 返回头节点
    return head;
}

输出： 5，4，3，2，1， 可以看出来和输入数据相反。

头插法只需要操作两个节点，当前元素指向头节点的指向，并修改头节点指向当前节点。

单链表的创建–尾插法创建

目前有一条数据，{1,2,3,4,5}。 然后依次添加到链表中，如图：

尾插法更加直接，相当于在一条线的尾巴上进行追加链接数据。

/*
    创建一个新的链表
    arr: 创建链表的数据
    size： 创建的大小
    尾插法
    思想： 首先将新插入的节点设置成一个完整的链表节点格式，然后将头节点复制给一个临时节点，每次将临时节点都指向下一个新插入节点，保证节点的移动和链接
*/;
ListNode* rInsertList(int arr[], int size) {
    ListNode *head = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
    // node为新插入的节点。 middle为链表最后节点，当第一次创建链表时指向头节点
    ListNode *node, *middle;
    // head -> next = NULL;
    // middle临时当作头节点
    middle = head;
    for (int i = 0; i < size; i++)
    {
       node = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
       node -> data = arr[i];
       node -> next = NULL;
       middle -> next = node;
       middle = node;
    }
    middle -> next = NULL;
    return head;
}

输出： 1，2，3，4，5。 输入和输出一样。

尾插法因为需要获取到当前最后一个节点，故需要设置三个节点：头节点，当前节点，动态变化的尾节点。

遍历链表

可以将上面新创建的链表打印输出：

//打印链表
void disList(ListNode *list) {
    //（1）、当遍历链表没有head头节点的时候使用第一条：
    ListNode *node = list; // ndoe指向首节点
    
    // (2)、当遍历链表由头节点的时候选择第二条
    //ListNode *node = list -> next; // 头节点指向首元节点
    while(node != NULL) {
        printf("%d====", node -> data);
        node = node -> next;
    }
    printf("\n");
}

按照上面方式创建的链表，可以使用这个方法打印输出链表的内容。

获取链表长度

int isLength(ListNode *list) {
    //（1）、当遍历链表没有head头节点的时候使用第一条：
    ListNode *node = list;
    
    // (2)、当遍历链表由头节点的时候选择第二条
    //ListNode *node = list -> next; // 头节点指向首元节点
    // p = p-> next;
    int n = 0;
    while(node != NULL) {
        n++;
        node = node->next;
    };
    printf("长度：%d\n", n);
    return n;
}

判断是否为空

// 检查线性链表是否为空
int isEmpty(ListNode* list) {
    return list == NULL;
}

删除链表中指定元素

删除链表中的指定元素，首先需要查找当前元素所在链表中的位置，然后将该节点赋值给一个临时指针，方便修改前后指针的指向：

// 删除指定元素, 传入的时候，list传入需要传入链表的地址
bool deleteNode(ListNode **list, ElementType key) {
    // 声明临时指针
    ListNode *temp;
    // 判断是否为头节点
    if ((*list) -> data == key) {
        // 将头节点复制给临时指针
        temp = *list;
        // 并将头节点的指针指向后一个节点
        *list = (*list) -> next;
        // 删除头节点空间
        free(temp);
        return true;
    } else {
        // 将头节点复制给临时
        ListNode *pre = *list;
        while(pre -> next != NULL) {
            if (pre -> next -> data == key) {
                // 将temp备份为待删除节点
                temp = pre -> next;
                pre -> next = pre -> next -> next;
                free(temp);
                return true;
            } else {
                pre = pre -> next;
            }
        }
        return false;
    }
}

例如输入：{1,2,3,4,5}, 删除2，结果变成{1,3,4,5}。

可以清晰看到删除操作，在声明指针的时候，声明了三个指针，并且传入的链表头节点采用的双指针，这是为什么呢？

首先声明的临时指针用于存放当前需要删除的节点指针，如果直接删除当前节点，后续节点还未将数据节点指向头节点或者前一个节点，这会导致整个链表后续的节点丢失。当前链表就断开了，这是不允许的。 因此增加临时指针，用于过渡。

反转一个链表

• 把当前节点的next存起来，next = curr -> next
• 把当前节点的next指向前一个节点， curr -> next = prev
• 前指针后移prev = curr
• 当前指针后移curr = next

ListNode* reversList(ListNode *list) {
    ListNode *curr = list -> next;
    ListNode *prev = NULL;
    while(curr != NULL) {
        ListNode * next = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
        next = curr -> next;
        curr -> next = prev;
        prev = curr;
        curr = next;
    }
    return prev; // 返回反转后的首元节点
}

反转链表的思想就是：指定一个指针，每次给当前指针的下一个值赋值给一个临时变量，防止链表断开从而找不到后续节点；并将当前节点的的下一个指针指向赋值为新设置的节点，第一次新设置的节点为NULL，后续并将操作完的当前节点赋值给设置的节点，保证下次节点的移动从而遍历链表中的数据，依次反转元素。