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C#进阶学习（五）单向链表和双向链表，循环链表（中）双向链表

news 来源：原创 2025/5/18 12:35:49

     

目录

一、双向链表的声明

1. 节点类声明

 2. 链表类框架声明

3、实现其中的每一个函数 

增删操作（核心方法组）

删除操作（核心方法组）

查询操作（辅助方法）

维护方法（内部逻辑）

二、测试：

三、C#中的双向链表

复杂度对比表

  有了前面实现单链表的基础，那么今天的我们实现双向链表简直就是简简单单，请往下看。

一、双向链表的声明

1. 节点类声明

/// <summary>
/// 双向链表节点类（核心数据结构）
/// </summary>
/// <typeparam name="T">泛型数据类型</typeparam>
public class DoublyLinkedListNode<T>
{// 节点存储的实际数据public T Value { get; set; }// 前驱节点指针（关键特性）public DoublyLinkedListNode<T> Previous { get; set; }// 后继节点指针（关键特性）public DoublyLinkedListNode<T> Next { get; set; }/// <summary>/// 构造函数（初始化数据域）/// </summary>public DoublyLinkedListNode(T value){Value = value;Previous = null;  // 初始化前驱指针Next = null;     // 初始化后继指针}
}

关键特性说明：

        双指针结构：同时维护Previous和Next指针，实现双向遍历

        泛型设计：支持任意数据类型存储

        独立节点：每个节点独立管理前后连接关系

 2. 链表类框架声明

/// <summary>
/// 双向链表容器类（核心操作实现）
/// </summary>
public class DoublyLinkedList<T>
{// 头尾指针（核心成员）private DoublyLinkedListNode<T> _head;private DoublyLinkedListNode<T> _tail;// 计数器（重要属性）public int Count { get; private set; }public bool IsEmpty => Count == 0;// 索引器（特色功能）public T this[int index]{get{if (index < 0 || index >= Count)throw new IndexOutOfRangeException();var current = _head;for (int i = 0; i < index; i++)current = current.Next;return current.Value;}}// 增删操作（核心方法组）public void AddFirst(T value) { /* 实现略 */ }public void AddLast(T value) { /* 实现略 */ }public void InsertAt(int index, T value) { /* 实现略 */ }// 删除操作（核心方法组）public bool Remove(T value) { /* 实现略 */ }public void RemoveAt(int index) { /* 实现略 */ }public void RemoveFirst() { /* 实现略 */ }public void RemoveLast() { /* 实现略 */ }// 查询操作（辅助方法）public bool Contains(T value) { /* 实现略 */ }public int Find(T value) { /* 实现略 */ }// 维护方法（内部逻辑）private DoublyLinkedListNode<T> GetNodeAt(int index) { /* 实现略 */ }private void RemoveNode(DoublyLinkedListNode<T> node) { /* 实现略 */ }
}

3、实现其中的每一个函数 

增删操作（核心方法组）

（1）public void AddFirst(T value)

/// <summary>
/// 添加元素到链表头部
/// </summary>
/// <param name="value">要添加的数据</param>
public void AddFirst(T value)
{DoublyLinkedListNode<T> newNode = new DoublyLinkedListNode<T>(value);if (IsEmpty){_head = _tail = newNode;}else{newNode.Next = _head;_head.Previous = newNode;_head = newNode;}Count++;
}

（2）public void AddLast(T value)

/// <summary>
/// 添加元素到链表尾部
/// </summary>
/// <param name="value">要添加的数据</param>
public void AddLast(T value)
{DoublyLinkedListNode<T> newNode = new DoublyLinkedListNode<T>(value);if (IsEmpty){_head = _tail = newNode;}else{_tail.Next = newNode;newNode.Previous = _tail;_tail = newNode;}Count++;
}

（3）public void InsertAt(int index, T value)

/// <summary>
/// 在指定位置插入元素
/// </summary>
/// <param name="index">插入位置索引</param>
/// <param name="value">要插入的数据</param>
/// <exception cref="ArgumentOutOfRangeException">索引越界异常</exception>
public void InsertAt(int index, T value)
{if (index < 0 || index > Count)throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));if (index == 0){AddFirst(value);}else if (index == Count){AddLast(value);}else{DoublyLinkedListNode<T> newNode = new DoublyLinkedListNode<T>(value);DoublyLinkedListNode<T> current = GetNodeAt(index);newNode.Previous = current.Previous;newNode.Next = current;current.Previous.Next = newNode;current.Previous = newNode;Count++;}
}

删除操作（核心方法组）

（4）public bool Remove(T value)

/// <summary>
/// 删除第一个匹配的元素
/// </summary>
/// <param name="value">要删除的数据</param>
/// <returns>是否删除成功</returns>
public bool Remove(T value)
{DoublyLinkedListNode<T> current = _head;while (current != null){if (EqualityComparer<T>.Default.Equals(current.Value, value)){ // 当T是int时：执行值比较（无需装箱）// 当T是string时：执行值内容比较// 当T是自定义类：优先使用IEquatable实现// 自动处理null值情况（current.Value或value为null时不会报错）//这里的if里面就相当于是一种更加安全的判断数据是否相等，不管是地址还是内容RemoveNode(current);return true;}current = current.Next;}return false;
}

这里的RemoveNode在下面哦 

（5）public void RemoveAt(int index)

/// <summary>
/// 删除指定位置的元素
/// </summary>
/// <param name="index">要删除的位置索引</param>
/// <exception cref="ArgumentOutOfRangeException">索引越界异常</exception>
public void RemoveAt(int index)
{if (index < 0 || index >= Count)throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));DoublyLinkedListNode<T> nodeToRemove = GetNodeAt(index);RemoveNode(nodeToRemove);
}

（6）public void RemoveFirst()

/// <summary>
/// 删除头节点
/// </summary>
/// <exception cref="InvalidOperationException">空链表异常</exception>
public void RemoveFirst()
{if (IsEmpty)throw new InvalidOperationException("链表为空");RemoveNode(_head);
}

（7）public void RemoveLast()

/// <summary>
/// 删除尾节点
/// </summary>
/// <exception cref="InvalidOperationException">空链表异常</exception>
public void RemoveLast()
{if (IsEmpty)throw new InvalidOperationException("链表为空");RemoveNode(_tail);
}

查询操作（辅助方法）

（8）public bool Contains(T value)

/// <summary>
/// 查找元素是否存在
/// </summary>
/// <param name="value">要查找的数据</param>
/// <returns>是否存在</returns>
public bool Contains(T value)
{return Find(value) != -1;
}

（9）public int Find(T value)

/// <summary>
/// 查找元素位置
/// </summary>
/// <param name="value">要查找的数据</param>
/// <returns>元素索引（未找到返回-1）</returns>
public int Find(T value)
{DoublyLinkedListNode<T> current = _head;int index = 0;while (current != null){if (EqualityComparer<T>.Default.Equals(current.Value, value)){return index;}current = current.Next;index++;}return -1;
}

维护方法（内部逻辑）

（10） private DoublyLinkedListNode<T> GetNodeAt(int index)

// 私有辅助方法
private DoublyLinkedListNode<T> GetNodeAt(int index)
{if (index < 0 || index >= Count)throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));DoublyLinkedListNode<T> current = _head;for (int i = 0; i < index; i++){current = current.Next;}return current;
}

（11） private void RemoveNode(DoublyLinkedListNode<T> node)

private void RemoveNode(DoublyLinkedListNode<T> nodeToRemove)
{if (nodeToRemove.Previous != null){nodeToRemove.Previous.Next = nodeToRemove.Next;}else{_head = nodeToRemove.Next;}if (nodeToRemove.Next != null){nodeToRemove.Next.Previous = nodeToRemove.Previous;}else{_tail = nodeToRemove.Previous;}Count--;
}

二、测试：

class Program
{static void Main(string[] args){DoublyLinkedList<int> list = new DoublyLinkedList<int>();// 添加测试list.AddLast(1);list.AddFirst(0);list.InsertAt(2, 2);list.AddLast(3);Console.WriteLine("正向遍历：");list.PrintForward();  // 0 -> 1 -> 2 -> 3 -> nullConsole.WriteLine("\n反向遍历：");list.PrintBackward(); // 3 -> 2 -> 1 -> 0 -> null// 查找测试Console.WriteLine($"\n元素2的位置：{list.Find(2)}"); // 2Console.WriteLine($"是否存在元素5：{list.Contains(5)}"); // False// 修改测试list.Remove(2);list.RemoveAt(0);Console.WriteLine("\n删除元素2和头节点后的链表：");list.PrintForward(); // 1 -> 3 -> null// 清空测试list.Clear();Console.WriteLine($"\n清空后链表长度：{list.Count}"); // 0}
}

测试结果：

三、C#中的双向链表

        其实我们大可不必自己苦哈哈的实现双向链表，C#中已经给我们封装好了这样的一个类，下面一起来看看吧。

官方实现：System.Collections.Generic.LinkedList<T>

        1. 节点类：LinkedListNode<T>：

类名类型名称描述
LinkedListNode<T>属性List获取节点所属的LinkedList<T>对象
属性Value获取或设置节点存储的值
属性Next获取下一个节点（尾节点时返回null）
属性Previous获取上一个节点（头节点时返回null）
构造函数new(T value)创建独立节点（未关联到链表时使用）

        2. 链表类：LinkedList<T> 

类名类型名称描述
LinkedList<T>属性Count获取链表中实际包含的节点数量
属性First获取链表的第一个节点（头节点）
属性Last获取链表的最后一个节点（尾节点）
方法AddFirst(T value)在链表头部添加包含指定值的新节点
方法AddFirst(LinkedListNode<T>)将现有节点添加到链表头部
方法AddLast(T value)在链表尾部添加包含指定值的新节点
方法AddLast(LinkedListNode<T>)将现有节点添加到链表尾部
方法AddAfter(LinkedListNode<T>, T)在指定节点之后插入包含值的新节点
方法AddBefore(LinkedListNode<T>, T)在指定节点之前插入包含值的新节点
方法Remove(T value)删除第一个匹配值的节点（返回bool）
方法Remove(LinkedListNode<T>)删除指定节点（O(1)操作）
方法RemoveFirst()删除头节点
方法RemoveLast()删除尾节点
方法Find(T value)从头部开始查找第一个匹配值的节点（返回LinkedListNode<T>或null）
方法Contains(T value)判断链表是否包含指定值
方法Clear()清空所有节点

复杂度对比表

操作时间复杂度说明
AddFirst/AddLastO(1)头尾指针直接操作
AddAfter/AddBeforeO(1)已知节点时的指针修改
Remove(节点)O(1)直接修改相邻节点指针
Remove(值)O(n)需要遍历查找
FindO(n)最差情况需遍历整个链表
ContainsO(n)依赖Find实现

好的 那么双向链表的实现就到此了，接着我们回去看看循环链表。

附本文实现的双向链表：

using System;/// <summary>
/// 双向链表节点类
/// </summary>
/// <typeparam name="T">节点数据类型</typeparam>
public class DoublyLinkedListNode<T>
{/// <summary>/// 节点数据值/// </summary>public T Value { get; set; }/// <summary>/// 前驱节点指针/// </summary>public DoublyLinkedListNode<T>? Previous { get; set; }/// <summary>/// 后继节点指针/// </summary>public DoublyLinkedListNode<T>? Next { get; set; }/// <summary>/// 构造函数/// </summary>/// <param name="value">节点数据</param>public DoublyLinkedListNode(T value){Value = value;Previous = null;Next = null;}
}/// <summary>
/// 双向链表类
/// </summary>
/// <typeparam name="T">链表数据类型</typeparam>
public class DoublyLinkedList<T>
{/// <summary>/// 头节点/// </summary>private DoublyLinkedListNode<T>? _head;/// <summary>/// 尾节点/// </summary>private DoublyLinkedListNode<T>? _tail;/// <summary>/// 链表长度/// </summary>public int Count { get; private set; }/// <summary>/// 判断链表是否为空/// </summary>public bool IsEmpty => Count == 0;/// <summary>/// 索引器：通过索引访问元素/// </summary>/// <param name="index">元素位置</param>/// <returns>节点数据</returns>/// <exception cref="ArgumentOutOfRangeException">索引越界异常</exception>public T this[int index]{get{if (index < 0 || index >= Count)throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));DoublyLinkedListNode<T>? current = _head;for (int i = 0; i < index; i++){current = current.Next;}return current.Value;}}/// <summary>/// 添加元素到链表头部/// </summary>/// <param name="value">要添加的数据</param>public void AddFirst(T value){DoublyLinkedListNode<T> newNode = new DoublyLinkedListNode<T>(value);if (IsEmpty){_head = _tail = newNode;}else{newNode.Next = _head;_head.Previous = newNode;_head = newNode;}Count++;}/// <summary>/// 添加元素到链表尾部/// </summary>/// <param name="value">要添加的数据</param>public void AddLast(T value){DoublyLinkedListNode<T> newNode = new DoublyLinkedListNode<T>(value);if (IsEmpty){_head = _tail = newNode;}else{_tail.Next = newNode;newNode.Previous = _tail;_tail = newNode;}Count++;}/// <summary>/// 在指定位置插入元素/// </summary>/// <param name="index">插入位置索引</param>/// <param name="value">要插入的数据</param>/// <exception cref="ArgumentOutOfRangeException">索引越界异常</exception>public void InsertAt(int index, T value){if (index < 0 || index > Count)throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));if (index == 0){AddFirst(value);}else if (index == Count){AddLast(value);}else{DoublyLinkedListNode<T> newNode = new DoublyLinkedListNode<T>(value);DoublyLinkedListNode<T> current = GetNodeAt(index);newNode.Previous = current.Previous;newNode.Next = current;current.Previous.Next = newNode;current.Previous = newNode;Count++;}}/// <summary>/// 删除第一个匹配的元素/// </summary>/// <param name="value">要删除的数据</param>/// <returns>是否删除成功</returns>public bool Remove(T value){DoublyLinkedListNode<T> current = _head;while (current != null){if (EqualityComparer<T>.Default.Equals(current.Value, value)){RemoveNode(current);return true;}current = current.Next;}return false;}/// <summary>/// 删除指定位置的元素/// </summary>/// <param name="index">要删除的位置索引</param>/// <exception cref="ArgumentOutOfRangeException">索引越界异常</exception>public void RemoveAt(int index){if (index < 0 || index >= Count)throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));DoublyLinkedListNode<T> nodeToRemove = GetNodeAt(index);RemoveNode(nodeToRemove);}/// <summary>/// 删除头节点/// </summary>/// <exception cref="InvalidOperationException">空链表异常</exception>public void RemoveFirst(){if (IsEmpty)throw new InvalidOperationException("链表为空");RemoveNode(_head);}/// <summary>/// 删除尾节点/// </summary>/// <exception cref="InvalidOperationException">空链表异常</exception>public void RemoveLast(){if (IsEmpty)throw new InvalidOperationException("链表为空");RemoveNode(_tail);}/// <summary>/// 查找元素是否存在/// </summary>/// <param name="value">要查找的数据</param>/// <returns>是否存在</returns>public bool Contains(T value){return Find(value) != -1;}/// <summary>/// 查找元素位置/// </summary>/// <param name="value">要查找的数据</param>/// <returns>元素索引（未找到返回-1）</returns>public int Find(T value){DoublyLinkedListNode<T> current = _head;int index = 0;while (current != null){if (EqualityComparer<T>.Default.Equals(current.Value, value)){return index;}current = current.Next;index++;}return -1;}/// <summary>/// 清空链表/// </summary>public void Clear(){_head = null;_tail = null;Count = 0;}/// <summary>/// 遍历打印链表（正向）/// </summary>public void PrintForward(){DoublyLinkedListNode<T> current = _head;while (current != null){Console.Write($"{current.Value} -> ");current = current.Next;}Console.WriteLine("null");}/// <summary>/// 遍历打印链表（反向）/// </summary>public void PrintBackward(){DoublyLinkedListNode<T> current = _tail;while (current != null){Console.Write($"{current.Value} -> ");current = current.Previous;}Console.WriteLine("null");}// 私有辅助方法private DoublyLinkedListNode<T> GetNodeAt(int index){if (index < 0 || index >= Count)throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));DoublyLinkedListNode<T> current = _head;for (int i = 0; i < index; i++){current = current.Next;}return current;}private void RemoveNode(DoublyLinkedListNode<T> nodeToRemove){if (nodeToRemove.Previous != null){nodeToRemove.Previous.Next = nodeToRemove.Next;}else{_head = nodeToRemove.Next;}if (nodeToRemove.Next != null){nodeToRemove.Next.Previous = nodeToRemove.Previous;}else{_tail = nodeToRemove.Previous;}Count--;}
}// 示例使用
class Program
{static void Main(string[] args){DoublyLinkedList<int> list = new DoublyLinkedList<int>();// 添加测试list.AddLast(1);list.AddFirst(0);list.InsertAt(2, 2);list.AddLast(3);Console.WriteLine("正向遍历：");list.PrintForward();  // 0 -> 1 -> 2 -> 3 -> nullConsole.WriteLine("\n反向遍历：");list.PrintBackward(); // 3 -> 2 -> 1 -> 0 -> null// 查找测试Console.WriteLine($"\n元素2的位置：{list.Find(2)}"); // 2Console.WriteLine($"是否存在元素5：{list.Contains(5)}"); // False// 修改测试list.Remove(2);list.RemoveAt(0);Console.WriteLine("\n删除元素2和头节点后的链表：");list.PrintForward(); // 1 -> 3 -> null// 清空测试list.Clear();Console.WriteLine($"\n清空后链表长度：{list.Count}"); // 0}
}

 

 

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