朝花夕拾 · 数据结构 | 链表篇

剑指offer.

墨衍会员 · AI 创作全网分发码龄3年

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原创 2026-08-17 17:50:50 689 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

朝花夕拾：回顾我的C语言课程设计-学籍管理系统本文回顾了我在大学期间进行的一个C语言课程设计项目——学籍管理系统。该系统利用C语言的数据结构与算法知识,实现了一个基于命令行的学生信息管理程序。阅读详情

一.逻辑结构与存储结构

1.数据的逻辑结构

2.数据的存储结构

顺序存储与链式存储的区别：

顺序存储：

1.需要占用内存相邻一块连续的空间，若开辟空间较大时，则可能挤占其余内存空间，产生部分内存外部碎片。

2.由于是顺序存储，元素之间可连续读取，适合查改，效率高；但不适合增删，对顺序存储结构进行增删需遍历数组，将部分元素进行移动。

3.需要进行预分配内存，由于先分配后使用，所以申请空间可能大可能小，造成内存浪费或数组越界。

链式存储：

1.不要求逻辑上相邻的元素在物理上也相邻，可借助元素的后继指针连接，可以充分利用内存空间，不会出现内存碎片现象。

2.由于不要求物理上连续，所以每个元素需要指针来指向后一个元素，增加了内存的消耗。

3.与顺序存储相反，链式存储适合增删，对于元素的位置，只需修改前驱与后继的指针即可；而不适合查改，每次遍历都只能从头指针开始向后遍历整个链表，也可采用双向链表或循环链表进行优化。

4.不需要进行预分配内存，每次使用时动态开辟空间即可，即用即存，不需要时可及时释放内存空间。

注意：线性表是一种逻辑结构，表示元素之间一对一的相邻关系。顺序表和链表是指存储结构，两者属于不同层面的概念，因此不要将其混淆。

二.链表

1.链表的定义

线性表的链式存储也称单链表，它是指通过一组任意的存储单元来存储线性表中的数据元素。为了建立数据元素之间的线性关系，对每个链表结点，除存放元素自身的信息外，还需要存放一个指向其后继的指针。单链表结点结构如图2.3所示，其中data为数据域，存放数据元素;next为指针域，存放其后继结点的地址。

typedef struct Node    //定义结点结构
{
    int data;
    struct Node *pnext;
}Node;

typedef struct         //定义链表结构
{
    int len;
    Node *phead;
}Link;

2.三种链表结构

通常用头指针来标识一个单链表，指出链表的起始地址，头指针为NULL时表示一个空表。此外，为了操作上的方便，在单链表第一个数据结点之前附加一个结点，称为头结点。头结点的数据域可以不设任何信息，但也可以记录表长等信息。单链表带头结点时，头指针指向头结点，如图(a)所示。单链表不带头结点时，头指针L指向第一个数据结点，如图(b)所示。表尾结点的指针域为NULL(用“^”表示)。带头结点的链表代码操作较为简单且规范，故推荐定义链表时采用带头结点的方式。

以下有三种链表结构的创建与初始化：

无Link容器的带头结点：

Node * create_link()
{
    Node *phead = malloc(sizeof(Node));
    if(NULL==phead)
    {
        printf("malloc error\n");
        return NULL;
    }
    phead->pnext=NULL;
    phead->data=0;    //头结点data为无效值
    return phead;
}

Link容器的带头结点：

Link * create_link()
{
    Link *plink = malloc(sizeof(Link));
    if(NULL==plink)
    {
        printf("malloc error\n");
        return NULL;
    }
    Node *head = malloc(sizeof(Node));
    if(NULL == head)
    {
        printf("mallochead error\n");
        return NULL;
    }
    head->data=0;   //头结点可不赋值
    head->pnext=NULL;

    plink->len=0;
    plink->phead=head;
    return plink;
}

Link容器的不带头结点：

Link *create_link()        //不带头结点，通过Link管理链表，是否带头结点主要看链表有无空结点
{
    Link *plink = malloc(sizeof(Link));
    if (NULL == plink)
    {
        printf("malloc error\n");
        return NULL;
    }
    plink->phead = NULL;
    plink->len = 0;

    return plink;
}

头结点和头指针的关系:

        不管带不带头结点，头指针都始终指向链表的第一个结点，而头结点是带头结点的链表中的第一个结点，结点内通常不存储信息。
引入头结点后，可以带来两个优点:
        1.第一个数据结点的位置被存放在头结点的指针域中，因此在链表的第一个位置上的操作和在表的其他位置上的操作一致，无须进行特殊处理。
        2.无论链表是否为空，其头指针都是指向头结点的非空指针(空表中头结点的指针域为空)，因此空表和非空表的处理也就得到了统一。

内存布局：

以下为三种常见链表结构：

3.基本功能实现

以下为不带头结点的链表相关基础功能：

int insert_link_head(Link_t *plink, int data)    //头插
{
    Node_t *pinsert = malloc(sizeof(Node_t));
    if (NULL == pinsert)
    {
        printf("malloc error\n");
        return -1;
    }

    pinsert->data = data;
    pinsert->pnext = NULL;

    pinsert->pnext = plink->phead;
    plink->phead = pinsert;

    plink->clen++;

    return 0;
}

void show_link(Link_t *plink)                //遍历
{
    Node_t *ptmp = plink->phead;

    while (ptmp != NULL)
    {
        printf("%d ", ptmp->data);
        ptmp = ptmp->pnext;
    }
    printf("\n");
}

int is_empty_link(Link_t *plink)             //判空
{
    if (NULL == plink->phead)
    {
        return 1;
    }
    return 0;
}
int insert_link_tail(Link_t *plink, int data)    //尾插
{
    Node_t *pinsert = malloc(sizeof(Node_t));
    if (NULL == pinsert)
    {
        printf("mallocc error\n");
        return -1;
    }
    pinsert->data = data;
    pinsert->pnext = NULL;

    if (is_empty_link(plink))
    {
        plink->phead = pinsert;
    }
    else
    {
        Node_t *ptmp = plink->phead;
        while (ptmp->pnext != NULL)
        {
            ptmp = ptmp->pnext;
        }
        ptmp->pnext = pinsert;
    }
    plink->clen++;

    return 0;
}

int delete_link_head(Link_t *plink)        //头删
{
    if (is_empty_link(plink))
    {
        return -1;
    }

    Node_t *pfree = plink->phead;
    plink->phead = pfree->pnext;
    free(pfree);
    plink->clen--;

    return 0;
}

int delete_link_tail(Link_t *plink)        //尾删
{
    if (is_empty_link(plink))
    {
        return -1;
    }
    else if (NULL == plink->phead->pnext)
    {
        free(plink->phead);
        plink->phead = NULL;
    }
    else
    {
        Node_t *ptmp = plink->phead;
        while (ptmp->pnext->pnext != NULL)
        {
            ptmp = ptmp->pnext;
        }
        free(ptmp->pnext);
        ptmp->pnext = NULL;
    }
    plink->clen--;

    return 0;
}

void destroy_link(Link_t *plink)        //销毁
{
    while (!is_empty_link(plink))
    {
        delete_link_head(plink);
    }
    free(plink);
}

4.内存泄漏

内存泄露：

用户自己申请的堆区空间使用完没有及时释放则造成内存泄露。

检测程序有没有内存泄露：

valgrind：内存错误检测工具（GNU提供），可以检测程序运行过程中的内存泄露情况，以及野指针的使用情况等。

使用方法：

安装valgrind工具：

sudo apt-get isntall valgrind

编译完程序后使用：
valgrind ./a.out
valgrind --leak-check=full ./a.out 

==6742== HEAP SUMMARY:
==6742==     in use at exit: 112 bytes in 7 blocks
==6742==   total heap usage: 10 allocs, 3 frees, 1,168 bytes allocated
==6742== 
==6742== LEAK SUMMARY:
==6742==    definitely lost: 16 bytes in 1 blocks
==6742==    indirectly lost: 96 bytes in 6 blocks
==6742==      possibly lost: 0 bytes in 0 blocks
==6742==    still reachable: 0 bytes in 0 blocks
==6742==         suppressed: 0 bytes in 0 blocks
==6742== Rerun with --leak-check=full to see details of leaked memory

5.快慢指针

逆序、排序思想

    Node_t *ptmp = plink->phead->pnext;
    Node_t *pinsert = NULL;
    plink->phead->pnext = NULL;        //从第二个结点断开

    while()
    {
        pinsert = ptmp;                 //快慢指针
        ptmp = ptmp->pnext;  
        ......
    }

6.循环链表

 void goto_loop_link(Link_t *plink)
 {
    if (is_empty_link(plink))
    {
        return ;
    }
    Node_t *ptmp = plink->phead;
    while (ptmp->pnext != NULL)
    {
        ptmp = ptmp->pnext;
    }
    ptmp->pnext = plink->phead;
 }
单向链表判断是否有环：

使用快慢指针法：从起点开始，快指针一次走两步，慢指针一次走一步，若快指针最终走到了NULL的位置，说明链表无环；如果快指针和满指针相遇了，则说明有环。
int is_loop_link(Link_t *plink)
 {
    Node_t *pfast = plink->phead;
    Node_t *pslow = pfast;

    while (pfast != NULL)
    {
        pfast = pfast->pnext;
        if (NULL == pfast)
        {
            return 0;
        }
        if (pfast == pslow)
        {
            return 1;
        }
        pfast = pfast->pnext;
        pslow = pslow->pnext;
        if (pfast == pslow)
        {
            return 1;
        }
    }

    return 0;
 }
有环链表的环长:

从相遇点开始，让指针开始遍历链表，当该指针再次走到相遇点，则统计出了的个数为环长。

求有环链表环的入口:

经过推算，相遇点到环入口长度等于开头到环入口的位置。一个指针从想遇点开始走，一个指针从头走，当两个指针再次相遇，则为环形的入口。
Node_t *get_loop_enter(Link_t *plink)
{
    if (NULL == plink->phead)
    {
        return NULL;
    }

    Node_t *pfast = plink->phead;
    Node_t *pslow = pfast;

    while (1)
    {
        pfast = pfast->pnext;
        if (pfast == pslow)
        {
            break;
        }
        pfast = pfast->pnext;
        pslow = pslow->pnext;
        if (pfast == pslow)
        {
            break;
        }
    }

    pslow = plink->phead;
    pfast = pfast->pnext;
    while (pslow != pfast)
    {
        pfast = pfast->pnext;
        pslow = pslow->pnext;
    }

    return pslow;
}

7.双链表

Link_t* create()
{
    Link_t *plink = malloc(sizeof(Link_t));
    if(NULL == plink)
    {
        printf("malloc errorlink\n");
        return NULL; 
    }
    plink->phead = NULL;
    plink->clen = 0;
    return plink;
}

int isempty(Link_t *plink)
{
    return plink && NULL == plink->phead;
}

int insert_head(Link_t *plink,Stu_t t)
{
    Node_t *pnode = malloc(sizeof(Node_t));
    if(NULL == pnode)
    {
        printf("malloc errorinsert\n");
        return -1;
    }
    pnode->t = t;
    pnode->pnext = NULL;
    pnode->ppre = NULL;
    if(isempty(plink))
    {
        plink->phead = pnode;
    }
    else
    {
        pnode->pnext = plink->phead;
        plink->phead->ppre = pnode;
        plink->phead = pnode;
    }
    plink->clen++;
    return 0;
}
int insert_tail(Link_t *plink,Stu_t t)
{
    Node_t *pnode = malloc(sizeof(Node_t));
    if(NULL == pnode)
    {
        printf("malloc errorinsert\n");
        return -1;
    }
    pnode->t = t;
    pnode->pnext = NULL;
    pnode->ppre = NULL;
    if(isempty(plink))
    {
        plink->phead = pnode;
    }
    else
    {
        Node_t *ptmp = plink->phead;
        while(ptmp->pnext!= NULL)
        {
            ptmp = ptmp->pnext;
        }
        ptmp->pnext = pnode;
        pnode->ppre = ptmp;
    }
    plink->clen++;
    return 0;

}
void delete_head(Link_t *plink)
{
    if(isempty(plink))
    {
        return;
    }
    Node_t *pfree = plink->phead;
    plink->phead = pfree->pnext;
    free(pfree);
    plink->clen--;
    if(!isempty(plink))
    {
     plink->phead->ppre = NULL;
    }
}
void delete_tail(Link_t *plink)
{
    if(isempty(plink))
    {
        return;
    }
    Node_t *ptmp = plink->phead;
    while(ptmp->pnext!=NULL)
    {
        ptmp = ptmp->pnext;
    }
    if(ptmp->ppre)
    ptmp->ppre->pnext = NULL;
    else
    plink->phead = NULL;
    free(ptmp);
    plink->clen--;
}
void print(Link_t *plink,int dir)
{
    if(isempty(plink))
    {
        return;
    }
    Node_t *ptmp = plink->phead;
    if(dir)
    {   
        while(ptmp!=NULL)
        {
            printf("%s %d %d\n",ptmp->t.str,ptmp->t.age,ptmp->t.score);
            ptmp = ptmp->pnext;
        }
    }
    else
    {
        while(ptmp->pnext!=NULL)
        {
            ptmp = ptmp->pnext;
        }
        while(ptmp!=NULL)
        {
            printf("%s %d %d\n",ptmp->t.str,ptmp->t.age,ptmp->t.score);
            ptmp = ptmp->ppre;
        }
    }
    printf("\n");
}
void destroy(Link_t *plink)
{
    // if(isempty(plink))
    // {
    //     return;
    // }
    // Node_t *ptmp = plink->phead;
    // Node_t *pfree = ptmp;
    // while(ptmp!= NULL)
    // {
    //     pfree = ptmp;
    //     ptmp = ptmp->pnext;
    //     free(pfree);       
    // }
    // free(plink);
    while (!isempty(plink))
    {
        delete_head(plink);
    }
    free(plink);
}

8.内核链表

Linux内核中使用到的一种链表形式。
本质:双向循环链表

和普通链表的区别:
1.普通链表将数据存储在结点中，程序中，一但确定了结点中存储得数据得数据类型，该链表再无法存储其他类型的数据。
2.内核链表将结点嵌入到要存储的数据结构体中，在项目工程中，一套链表操作，可以用来存储不同类型的数据。

内核提供宏:
offsetof:获取链表结点首地址到结构体开头的偏移量。
container_of:利用结点的首地址-偏移量，获得结构体首地址。