【数据结构】C语言实现双向链表（带头结点、循环）

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一、带头结点的循环双向链表

二、结点与接口定义

结点定义：

typedef int ListDataType;
typedef struct LinkedListNode
{
	struct LinkedListNode* next;
	struct LinkedListNode* prev;
	ListDataType data;
}LinkedListNode;

接口定义：

LinkedListNode* LinkedListInit();
void LinkedListPrint(LinkedListNode* phead);

bool LinkedListEmpty(LinkedListNode* phead);
void LinkedListPushBack(LinkedListNode* phead, ListDataType x);
void LinkedListPushFront(LinkedListNode* phead, ListDataType x);
void LinkedListPopBack(LinkedListNode* phead);
void LinkedListPopFront(LinkedListNode* phead);

LinkedListNode* LinkedListFind(LinkedListNode* phead, ListDataType x);

// 在pos之前插入
void LinkedListInsert(LinkedListNode* pos, ListDataType x);
// 删除pos位置的值
void LinkedListErase(LinkedListNode* pos);

void LinkedListDestroy(LinkedListNode* phead);

三、实现

3.1 申请节点

我们将申请结点的代码封装成函数，方便后续使用

LinkedListNode* CreateLinkedListNode(ListDataType x)
{
	LinkedListNode* newnode = (LinkedListNode*)malloc(sizeof(LinkedListNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		return NULL;
	}

	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	newnode->prev = NULL;
	return newnode;
}

3.2 初始化

由于是带头结点的双向链表，因此在使用链表前，我们需要对链表进行初始化。

LinkedListNode* LinkedListInit()
{
	LinkedListNode* phead = CreateLinkedListNode(230510);
	phead->next = phead;
	phead->prev = phead;

	return phead;
}

3.3 打印

遍历链表，值得说的是，带头结点的双向链表的循环结束条件是 cur != phead

void LinkedListPrint(LinkedListNode* phead)
{
	assert(phead);

	LinkedListNode* cur = phead->next;

	printf("guard<->");
	while (cur != phead)
	{
		printf("%d<->", cur->data);
		cur = cur->next;
	}
	printf("\n");
}

3.4 尾插

尾插时，需要先找到尾结点，然后将新结点插入到尾结点后面。

void LinkedListPushBack(LinkedListNode* phead, ListDataType x)
{
	assert(phead);

	// 1.找到尾结点
	LinkedListNode* tail = phead->prev;

	// 2.插入到尾结点后面
	LinkedListNode* newnode = CreateLinkedListNode(x);
	tail->next = newnode;
	newnode->prev = tail;
	newnode->next = phead;
	phead->prev = newnode;
}

3.5 头插

第一种写法，要注意现将newnode后面的结点进行链接，然后再讲newnode链接到phead后面。

void LinkedListPushFront(LinkedListNode* phead, ListDataType x)
{
	assert(phead);

	LinkedListNode* newnode = CreateLinkedListNode(x);
	// 与原来的第一个数据结点链接
	newnode->next = phead->next;
	phead->next->prev = newnode; // newnode->next->prev = newnode;

	// newnode变为新的第一个数据结点
	phead->next = newnode;
	newnode->prev = phead;
}

第二种写法（推荐写法），我们使用变量记录phead的next，记为first，这样newnode插入到phead和first之间，这样逻辑比较清楚。

void LinkedListPushFront(LinkedListNode* phead, ListDataType x)
{
	assert(phead);

	LinkedListNode* newnode = CreateLinkedListNode(x);
	// 用变量记录第一个结点
	LinkedListNode* first = phead->next;

	// 与原来的第一个数据结点链接
	newnode->next = first;
	first->prev = newnode; 

	// newnode变为新的第一个数据结点
	phead->next = newnode;
	newnode->prev = phead;
}

3.6 尾删

phead的prev是尾tail，tail的prev是tailPrev。

void LinkedListPopBack(LinkedListNode* phead)
{
	assert(phead);

	LinkedListNode* tail = phead->prev;
	LinkedListNode* tailPrev = tail->prev;

	free(tail);
	tailPrev->next = phead;
	phead->prev = tailPrev;
}

上面代码的问题是链表为空的情况报错，于是我们在该函数内部对空链表进行断言：

void LinkedListPopBack(LinkedListNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(!LinkedListEmpty(phead)); // 删除时链表不能为空

	LinkedListNode* tail = phead->prev;
	LinkedListNode* tailPrev = tail->prev;

	free(tail);
	tailPrev->next = phead;
	phead->prev = tailPrev;
}

3.7 判断链表为空断言

判断链表为空逻辑：

bool LinkedListEmpty(LinkedListNode* phead)
{
	assert(phead);

	return phead->next == phead;
}

使用链表为空的断言：

assert(!LinkedListEmpty(phead)); // 链表为空时error

3.8 头删

头删时需要将第一个结点删除，很容易便想到以下代码：

void LinkedListPopFront(LinkedListNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(!LinkedListEmpty(phead)); // 删除时链表不能为空

	LinkedListNode* next = phead->next;

	phead->next = next->next;
	phead->next->prev = phead; // next->next->prev = phead;
	free(next); 
}

为了提高可读性，推荐使用以下代码，定义first和second两个变量指向第一个和第二个：

void LinkedListPopFront(LinkedListNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(!LinkedListEmpty(phead)); // 删除时链表不能为空

	LinkedListNode* first = phead->next;
	LinkedListNode* second = first->next;

	phead->next = second;
	second->prev = phead;
	free(first);
}

3.9 查找find

查找的本质就是遍历链表

LinkedListNode* LinkedListFind(LinkedListNode* phead, ListDataType x)
{
	assert(phead);
	
	LinkedListNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		if (cur->data == x)
		{
			return cur;
		}
		cur = cur->next;
	}
	return NULL;
}

3.10 插入insert-在pos之前插入

pos的来源一般是find的结果

void LinkedListInsert(LinkedListNode* pos, ListDataType x)
{
	assert(pos);

	LinkedListNode* prev = pos->prev;
	LinkedListNode* newnode = CreateLinkedListNode(x);

	// prev newnode pos
	prev->next = newnode;
	newnode->prev = prev;
	newnode->next = pos;
	pos->prev = newnode;
}

3.11 头插尾插复用insert

有了上面的insert在任意位置插入，我们可以修改尾插代码：

void LinkedListPushBack(LinkedListNode* phead, ListDataType x)
{
	assert(phead);

	// 在phead之前插入，也就是尾插
	LinkedListInsert(phead, x);
}

同理也可以修改头插代码：

void LinkedListPushFront(LinkedListNode* phead, ListDataType x)
{
	assert(phead);

	LinkedListInsert(phead->next, x);
}

3.12 删除erase-删除pos位置

同insert一样，pos也应该是调用者通过find返回的结果。

void LinkedListErase(LinkedListNode* pos)
{
	assert(pos);

	LinkedListNode* posPrev = pos->prev;
	LinkedListNode* posNext = pos->next;

	posPrev->next = posNext;
	posNext->prev = posPrev;
	free(pos);
}

3.13 头删尾删复用erase

有了上面的erase在任意位置删除，我们可以修改尾删的代码：

void LinkedListPopBack(LinkedListNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(!LinkedListEmpty(phead));
	LinkedListErase(phead->prev);
}

同理也可以修改头删的代码：

void LinkedListPopFront(LinkedListNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(!LinkedListEmpty(phead));

	LinkedListErase(phead->next);
}

3.14 销毁destroy

记得释放头结点phead：

void LinkedListDestroy(LinkedListNode* phead)
{
	assert(phead);

	LinkedListNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		LinkedListNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}

	free(phead);
}

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源码

gitee-LinkedList

总结

带头结点、双向、循环链表的实现都非常的简单，需要注意判空条件与遍历终止的条件。

在代码写法上，对于某个节点的前一个或后一个的问题，我们最好分别使用变量去记录，这样代码的逻辑更清晰，可读性更高。例如尾插时的tail，尾删时的tail和tailPrev，以及头删时的first与second，erase中的posPrev与posNext，这些变量的使用，提高了代码的可读性。