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数据结构之带头双向循环链表

news 2025/7/2 14:13:09

欢迎拜访：雾里看山-CSDN博客
本篇主题：数据结构之带头双向循环链表
发布时间：2025.7.1
隶属专栏：数据结构

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目录

  • 概念与结构
  • 核心优势
  • 应用场景
  • 带头双向循环链表的实现
    • 创建结构体
    • 基本功能 接口实现
      • 初始化
      • 销毁
      • 创建节点
      • 打印
      • 链表长度
    • 增删查改 接口实现
      • 增
        • 头插
        • 尾插
        • 在pos位置插入
      • 删
        • 头删
        • 尾删
        • 删除pos位置
      • 查
      • 改
    • 整体代码展示
  • 总结

概念与结构

带头双向循环链表（Doubly Circular Linked List with Head Node）是链表中最复杂但功能最完善的变体，它结合了四种特性：

  • 带头节点：包含一个不存储数据的哨兵节点（头节点）
  • 双向：每个节点同时包含前驱和后继指针
  • 循环：头尾节点相互连接形成环状结构
  • 链表：动态分配的非连续存储结构

核心优势

  • 统一操作逻辑：头节点消除边界条件处理
  • 高效双端操作：头插/头删/尾插/尾删均为O(1)
  • 任意位置操作：已知节点时插入/删除为O(1)
  • 完整遍历能力：从任意节点开始均可遍历整个链表
  • 内存利用率高：动态分配，无容量限制

应用场景

  1. 操作系统内核：
    1. 进程调度队列
    2. 内存页管理
    3. 文件描述符表
  2. 数据库系统
    1. 事务日志管理
    2. 缓存淘汰算法实现（如LRU）
    3. 索引结构实现
  3. 图形用户界面
    1. 控件层级管理
    2. 撤销/重做历史记录
    3. 事件处理队列
  4. 游戏开发
    1. 游戏对象管理
    2. 动画序列控制
    3. 粒子系统管理
  5. 网络协议栈
    1. TCP连接管理
    2. 数据包重组队列
    3. 路由表实现

带头双向循环链表的实现

创建结构体

结构体需要包含两个指针和一个数据域。

typedef int LTDataType;   typedef struct ListNode
{struct ListNode* prev;// 指向前一个节点struct ListNode* next;// 指向后一个节点LTDataType value;     // 保存节点数据
}LTNode;

基本功能 接口实现

初始化

创建头结点，建立循环。

LTNode* LTInit()
{LTNode* phead = BuyLTNode(0);phead->next = phead;phead->prev = phead;return phead;
}

销毁

遍历数组，释放每一个节点的空间。

void LTDestory(LTNode* phead)
{assert(phead);LTNode* cur = phead->next;while (cur != phead){LTNode* tmp = cur;cur = cur->next;free(tmp);}free(phead);	
}

创建节点

动态开辟一个节点，为其他接口提供一个已经开辟好空间的节点。

LTNode* BuyLTNode(LTDataType x)
{LTNode* node = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));if (node == NULL){perror("malloc fail");exit(-1);}node->value = x;node->prev = NULL;node->next = NULL;return node;
}

打印

打印出链表中所有的节点，方便我们进行查看

void LTPrint(LTNode* phead)
{assert(phead);printf("phead<=>");LTNode* cur = phead->next;while (cur != phead){printf("%d<=>", cur->value);cur = cur->next;}printf("NULL\n");
}

链表长度

遍历链表一遍，计算出链表的长度

int LTSize(LTNode* phead)
{assert(phead);int size = 0;LTNode* cur = phead->next;while (cur != phead){size++;cur = cur->next;}return size;
}

增删查改 接口实现

增

头插

直接将节点插入到头结点后面即可

void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
{assert(phead);LTNode* newnode = BuyLTNode(x);LTNode* first = phead->next;newnode->prev = phead;phead->next = newnode;newnode->next = first;first->prev = newnode;
}
尾插

直接将节点插入到头结点之前即可

void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)
{assert(phead);LTNode* newnode = BuyLTNode(x);LTNode* tail = phead->prev;newnode->next = phead;phead->prev = newnode;newnode->prev = tail;tail->next = newnode;}
在pos位置插入
void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x)
{assert(pos);LTNode* prev = pos->prev;LTNode* newnode = BuyLTNode(x);prev->next = newnode;newnode->prev = prev;pos->prev = newnode;newnode->next = pos;
}

删

头删

确保链表中有数据即可

void LTPopFront(LTNode* phead)
{assert(phead);assert(phead->next != phead);LTNode* first = phead->next;LTNode* second = first->next;free(first);phead->next = second;second->prev = phead;
}
尾删

同样需要判断链表中是否存有数据

void LTPopBack(LTNode* phead)
{assert(phead);assert(phead->next != phead);LTNode* tail = phead->prev;LTNode* tailprev = tail->prev;free(tail);tailprev->next = phead;phead->prev = tailprev;
}
删除pos位置

找到pos位置的前一个节点和后一个节点即可。

void LTErase(LTNode* pos)
{assert(pos);LTNode* posprev = pos->prev;LTNode* posnext = pos->next;free(pos);posprev->next = posnext;posnext->prev = posprev;}

查

遍历链表，找到正确的位置，返回其节点指针，如果数据不存在，则返回空指针。

LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x)
{assert(phead);LTNode* cur = phead->next;while (cur != phead){if (cur->value == x){return cur;}cur = cur->next;}return NULL;
}

改

并没有太多的技术含量，只是对节点内的数据修改一下。实现的目的是为了统一接口。

void LTModify(LTNode* pos, LTDataType x)
{assert(pos);pos->value = x;
}

整体代码展示

包含三个文件，分别是：List.h、List.c和main.c
List.h:

#pragma once#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>typedef int LTDataType;typedef struct ListNode
{struct ListNode* prev;struct ListNode* next;LTDataType value;
}LTNode;LTNode* BuyLTNode(LTDataType x);
LTNode* LTInit();
void LTDestory(LTNode* phead);
void LTPrint(LTNode* phead);
void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x);
void LTPopBack(LTNode* phead);void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x);
void LTPopFront(LTNode* phead);int LTSize(LTNode* phead);LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x);void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x);
void LTErase(LTNode* pos);void LTModify(LTNode* pos, LTDataType x);

List.c:

#include "List.h"LTNode* BuyLTNode(LTDataType x)
{LTNode* node = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));if (node == NULL){perror("malloc fail");exit(-1);}node->value = x;node->prev = NULL;node->next = NULL;return node;
}
LTNode* LTInit()
{LTNode* phead = BuyLTNode(0);phead->next = phead;phead->prev = phead;return phead;
}
void LTDestory(LTNode* phead)
{assert(phead);LTNode* cur = phead->next;while (cur != phead){LTNode* tmp = cur;cur = cur->next;free(tmp);}free(phead);	
}
void LTPrint(LTNode* phead)
{assert(phead);printf("phead<=>");LTNode* cur = phead->next;while (cur != phead){printf("%d<=>", cur->value);cur = cur->next;}printf("NULL\n");
}
void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)
{assert(phead);LTNode* newnode = BuyLTNode(x);LTNode* tail = phead->prev;newnode->next = phead;phead->prev = newnode;newnode->prev = tail;tail->next = newnode;}
void LTPopBack(LTNode* phead)
{assert(phead);assert(phead->next != phead);LTNode* tail = phead->prev;LTNode* tailprev = tail->prev;free(tail);tailprev->next = phead;phead->prev = tailprev;}void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
{assert(phead);LTNode* newnode = BuyLTNode(x);LTNode* first = phead->next;newnode->prev = phead;phead->next = newnode;newnode->next = first;first->prev = newnode;}
void LTPopFront(LTNode* phead)
{assert(phead);assert(phead->next != phead);LTNode* first = phead->next;LTNode* second = first->next;free(first);phead->next = second;second->prev = phead;}int LTSize(LTNode* phead)
{assert(phead);int size = 0;LTNode* cur = phead->next;while (cur != phead){size++;cur = cur->next;}return size;
}LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x)
{assert(phead);LTNode* cur = phead->next;while (cur != phead){if (cur->value == x){return cur;}cur = cur->next;}return NULL;
}void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x)
{assert(pos);LTNode* prev = pos->prev;LTNode* newnode = BuyLTNode(x);prev->next = newnode;newnode->prev = prev;pos->prev = newnode;newnode->next = pos;
}
void LTErase(LTNode* pos)
{assert(pos);LTNode* posprev = pos->prev;LTNode* posnext = pos->next;free(pos);posprev->next = posnext;posnext->prev = posprev;}
void LTModify(LTNode* pos, LTDataType x)
{assert(pos);pos->value = x;
}

main.c:

#include"List.h"void TestList1()
{LTNode* plist = LTInit();LTPushBack(plist, 1);LTPushBack(plist, 2);LTPushBack(plist, 3);LTPushBack(plist, 4);LTPushBack(plist, 5);LTPrint(plist);LTPushFront(plist, 10);LTPushBack(plist, 10);LTPrint(plist);
}void TestList2()
{LTNode* plist = LTInit();LTPushBack(plist, 1);LTPushBack(plist, 2);LTPushBack(plist, 3);LTPushBack(plist, 4);LTPushBack(plist, 5);LTPrint(plist);LTPopBack(plist);LTPopFront(plist);LTPrint(plist);LTPopFront(plist);LTPopFront(plist);LTPopFront(plist);//LTPopFront(plist);LTPrint(plist);
}void TestList3()
{LTNode* plist = LTInit();LTPushBack(plist, 1);LTPushBack(plist, 2);LTPushBack(plist, 3);LTPushBack(plist, 4);LTPushBack(plist, 5);LTPrint(plist);LTPushFront(plist, 10);LTPushFront(plist, 20);LTPushFront(plist, 30);LTPushFront(plist, 40);LTPrint(plist);
}void TestList4()
{LTNode* plist = LTInit();LTPushBack(plist, 1);LTPushBack(plist, 2);LTPushBack(plist, 3);LTPushBack(plist, 4);LTPushBack(plist, 5);LTPrint(plist);LTPopFront(plist);LTPrint(plist);LTPopBack(plist);LTPrint(plist);
}int main()
{TestList4();return 0;
}

总结

带头双向循环链表作为链表结构的终极形态，具有以下核心价值：

  1. 操作统一性：头节点消除了所有边界条件
  2. 极致效率：所有位置插入删除均为O(1)操作
  3. 遍历灵活性：支持双向遍历和循环访问
  4. 内存安全性：明确的内存管理边界

尽管实现相对复杂，但在需要高性能和灵活性的系统级开发中（如操作系统内核、数据库引擎），带头双向循环链表是不可替代的基础数据结构。Linux内核中的list_head结构就是其典型应用，证明了这种数据结构在工业级系统中的重要价值。

⚠️ 写在最后：以上内容是我在学习以后得一些总结和概括，如有错误或者需要补充的地方欢迎各位大佬评论或者私信我交流！！！

http://www.dtcms.com/a/264267.html

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