c++数据结构4——链表结构详解

一、链表的物理结构与核心概念

1.1 物理存储的非连续性

链表通过动态内存分配实现物理存储的非连续性。每个节点包含两部分：

• ​​数据域​​：存储实际数据（如int value）
• ​​指针域​​：存储下一个节点的地址（如node* next）

物理结构示意图：

每个节点在内存中独立分布，通过指针串联形成逻辑顺序。

1.2 头结点的重要性

头结点是链表的入口，通过head指针访问整个链表。若链表为空，head=NULL。例如：

node* head = nullptr; // 空链表

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二、单链表的实现与操作

2.1 节点动态管理

struct Node {

int value;

Node* next;

};

Node* newNode = new Node{5, nullptr}; // 创建新节点

delete new; // 释放节点

new和delete二者必须配对使用

2.2 核心操作实现

2.2.1 尾插法（效率分析）

void append(int x) {
    Node* newNode = new Node{x, nullptr};
    if (head == nullptr) {
        head = newNode;  // 空链表特殊处理
    } else {
        Node* p = head;
        while (p->next) p = p->next;  // 遍历到尾部
        p->next = newNode;
    }
}

​​时间复杂度​​：O(n)（需遍历到尾部）

2.2.2 指定位置插入

void insert(int x, int pos) {
    Node* newNode = new Node{x, nullptr};
    if (pos == 0) {  // 头插
        newNode->next = head;
        head = newNode;
    } else {
        Node* p = head;
        for (int i=0; i<pos-1 && p; i++) p = p->next;
        newNode->next = p->next;
        p->next = newNode;
    }
}

​​边界条件​​：需处理插入位置超出链表长度的情况

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三、STL List的底层实现与特性

3.1 双向循环链表结构

STL的list采用​​双向循环链表​​实现，每个节点结构：

template<typename T>
struct ListNode {
    T data;
    ListNode* prev;
    ListNode* next;
    ListNode(const T& val) : data(val), prev(nullptr), next(nullptr) {}
};

物理结构示意图：

3.2 核心操作优势

3.2.1 高效插入/删除

list<int> a;
a.push_back(10);    // O(1)
a.insert(a.begin(), 5);  // O(1)

​​时间复杂度​​：任意位置插入/删除均为O(1)

3.2.2 双向迭代器

list<int>::iterator it = a.begin();
it++;  // 前向移动
list<int>::reverse_iterator rit = a.rbegin();
rit--; // 后向移动

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四、链表与STL List对比

特性	手动链表	STL List
​​内存管理​​	需手动new/delete	自动内存管理
​​双向操作​​	仅单向（需自定义）	原生支持双向
​​插入/删除效率​​	O(n)（尾插需遍历）	O(1)（已知迭代器位置）
​​适用场景​​	学习数据结构基础	高频插入/删除的中间数据处理

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五、教学示例：链表与STL List实战

5.1 单链表实现（完整代码）

#include <iostream>
using namespace std;

struct Node {
    int data;
    Node* next;
    Node(int x) : data(x), next(nullptr) {}
};

void printList(Node* head) {
    Node* p = head;
    while (p) {
        cout << p->data << " -> ";
        p = p->next;
    }
    cout << "nullptr" << endl;
}

int main() {
    Node* head = new Node(1);
    head->next = new Node(2);
    head->next->next = new Node(3);
    
    printList(head);  // 1 -> 2 -> 3 -> nullptr
    
    // 释放内存
    while (head) {
        Node* tmp = head;
        head = head->next;
        delete tmp;
    }
    return 0;
}

5.2 STL List应用

#include <list>
#include <algorithm>

void listDemo() {
    list<int> a;
    
    // 高效插入
    a.push_front(10);
    a.push_back(20);
    a.insert(a.begin(), 5);  // 在头部插入
    
    // 反向遍历
    for (auto rit = a.rbegin(); rit != a.rend(); ++rit) {
        cout << *rit << " ";  // 输出：20 10 5
    }
    
    // 删除元素
    a.remove(10);  // 删除所有值为10的元素
}