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数据结构 -- 单向链表的特点、操作函数

news 2025/8/20 16:52:15

数据结构中的线性表：链式存储

我们先回忆一下线性表的基本概念：它是一种 “一对一” 的有序数据结构，比如排队的人、一串数字（1,2,3,4），每个元素（除了第一个和最后一个）都有唯一的前一个和后一个元素。

而链式存储，是线性表的一种实现方式，它和我们之前可能听过的 “顺序存储”（用数组实现）最大的区别是：数据不一定要存在连续的内存空间里。

一、链式存储的核心：“节点” 和 “指针”

想象一下生活中的场景：

  • 你有一串钥匙，每把钥匙（相当于 “数据”）都用绳子串起来，前一把钥匙的绳子连着后一把钥匙 —— 这串钥匙就是 “顺序存储”（数据连续）。
  • 但如果是一串散落的珠子，每个珠子上除了有一颗珍珠（数据），还有一个小钩子，钩子勾着下一个珠子 —— 这就是 “链式存储”。

在链式存储里：

  • 节点：每个元素被包装成一个 “节点”，里面包含两部分：

    1. 实际的数据（比如一个人的姓名、年龄）；
    2. 一个 “指针”（地址），指向它的下一个节点。

  • 链表：由多个这样的节点通过指针连接起来，就形成了 “链表”。

二、链表的特点（和数组对比）

  1. 内存不连续
    数组的元素必须存在连续的内存空间里，比如数组 [1,2,3] 占用地址 0x100、0x101、0x102。
    链表的节点可以分散在内存的各个地方，只要通过指针能找到下一个节点就行。

  2. 大小灵活
    数组一旦创建，大小就固定了（比如定义 int arr[5] 就只能存 5 个元素），想扩容很麻烦。
    链表的大小可以随时变化，想加元素就新创建一个节点，勾在链表上；想删元素就把指针 “断开”，不需要提前固定大小。

  3. 插入 / 删除方便
    数组中插入一个元素，后面的所有元素都要往后挪（比如在 [1,2,3] 的第 2 个位置插 4，变成 [1,4,2,3]，2 和 3 都要移动）。
    链表中插入元素，只需要改两个指针：新节点的指针指向 “下一个节点”，前一个节点的指针指向 “新节点”，其他元素不用动。
    （删除同理，只需要把前一个节点的指针跳过要删的节点，指向它的下一个节点就行）

  4. 访问元素效率低
    数组可以通过下标直接访问元素（比如 arr[2] 直接定位到第 3 个元素）。
    链表没有下标，想访问第 n 个元素，必须从第一个节点开始，顺着指针一个个往后找（像 “顺着钩子找珠子”），所以找元素比数组慢。

三、常见的链表类型

  1. 单链表
    每个节点只有一个指针，指向后一个节点，最后一个节点的指针为 NULL（表示没有下一个）。
    比如：A -> B -> C -> NULL

  2. 双向链表
    每个节点有两个指针：一个指向前一个节点，一个指向后一个节点。
    比如：NULL <- A <-> B <-> C -> NULL
    优点：既能往后找，也能往前找，删除时更方便（不用回头找前一个节点）。

  3. 循环链表
    最后一个节点的指针不指向 NULL，而是指向第一个节点，形成一个环。
    比如：A -> B -> C -> A
    优点：适合需要 “循环遍历” 的场景（比如多人轮流报数）。

单向链表的操作函数

linklist.h
#ifndef _LINKLIST_H_
#define _LINKLIST_H_/*** @file linklist.h* @brief 人员信息链表的头文件，定义了数据结构和相关操作函数** 本文件声明了用于存储人员信息的链表数据结构，* 以及对该链表进行创建、插入、删除、查找、修改等操作的函数接口*/// 定义人员信息的结构体
typedef struct person
{char name[32];  // 姓名，最多31个字符（包含字符串结束符'\0'）char sex;       // 性别，通常用'M'表示男性，'F'表示女性int age;        // 年龄int score;      // 分数，可根据实际需求调整含义
} DATATYPE;         // 定义结构体别名，方便作为链表数据类型使用// 链表节点的结构体
typedef struct node
{DATATYPE data;       // 数据域：存储实际的数据（人员信息）struct node *next;   // 指针域：指向链表中下一个节点的地址，最后一个节点为NULL
} LinkNode;             // 链表节点的别名// 链表管理的结构体
typedef struct list
{LinkNode *head;  // 指向链表第一个节点的指针，空链表时为NULLint clen;        // 当前链表中有效节点（元素）的个数
} LinkList;          // 链表管理结构的别名/*** @brief 创建一个新的空链表* @return 成功返回指向新链表的指针，失败返回NULL*/
LinkList *CreateLinkList();/*** @brief 在链表头部插入一个新元素* @param list 指向链表的指针* @param data 指向要插入的人员信息数据的指针* @return 成功返回0，失败返回-1*/
int InsertHeadLinkList(LinkList *list, DATATYPE *data);/*** @brief 在链表尾部插入一个新元素* @param list 指向链表的指针* @param data 指向要插入的人员信息数据的指针* @return 成功返回0，失败返回-1*/
int InsertTailLinkList(LinkList *list, DATATYPE *data);/*** @brief 在链表指定位置插入一个新元素* @param list 指向链表的指针* @param data 指向要插入的人员信息数据的指针* @param pos 插入位置（从0开始计数）* @return 成功返回0，失败返回-1*/
int InsertPosLinkList(LinkList* list, DATATYPE* data, int pos);/*** @brief 遍历并显示链表中所有元素的信息* @param list 指向链表的指针* @return 成功返回显示的元素个数，失败返回-1*/
int ShowLinkList(LinkList *list);/*** @brief 根据姓名查找链表中的元素* @param list 指向链表的指针* @param name 要查找的姓名* @return 成功返回指向找到的节点的指针，失败返回NULL*/
LinkNode *FindLinkList(LinkList *list, char *name);/*** @brief 根据姓名删除链表中的元素* @param list 指向链表的指针* @param name 要删除的元素的姓名* @return 成功返回0，失败返回-1*/
int DeleteLinkList(LinkList *list, char *name);/*** @brief 根据姓名修改链表中元素的信息* @param list 指向链表的指针* @param name 要修改的元素的姓名* @param data 指向新的人员信息数据的指针* @return 成功返回0，失败返回-1*/
int ModifyLinkList(LinkList *list, char *name, DATATYPE *data);/*** @brief 销毁链表，释放所有节点占用的内存* @param list 指向链表的指针* @return 成功返回0，失败返回-1*/
int DestroyLinkList(LinkList *list);/*** @brief 判断链表是否为空* @param list 指向链表的指针* @return 链表为空返回1，不为空返回0，参数错误返回-1*/
int IsEmptyLinkList(LinkList *list);/*** @brief 获取链表中元素的个数* @param list 指向链表的指针* @return 成功返回元素个数，失败返回-1*/
int GetSizeLinkList(LinkList *list);#endif  // !_LINKLIST_H_  // 预处理指令结束，注意原代码中的"!1"是笔误，已修正
linklist.c
#include "linklist.h"   // 包含链表头文件，使用其中定义的结构体和函数声明
#include <stdio.h>      // 标准输入输出库，用于打印信息
#include <stdlib.h>     // 标准库，提供malloc、free等内存管理函数
#include <string.h>     // 字符串处理库，提供memcpy、strcmp等函数/*** @brief 创建一个空的链表* * 为链表管理结构体分配内存，并初始化头指针和节点计数* * @return 成功返回指向链表的指针，内存分配失败返回NULL*/
LinkList *CreateLinkList()
{  // 为链表管理结构（LinkList）分配内存LinkList *ll = malloc(sizeof(LinkList));if (NULL == ll)  // 检查内存分配是否成功{perror("CreateLinkList malloc");  // 打印错误信息（如"CreateLinkList malloc: 内存不足"）return NULL;}// 初始化空链表：头指针指向NULL（无节点），有效节点数为0ll->head = NULL;ll->clen = 0;return ll;  // 返回创建的空链表
}/*** @brief 在链表头部插入新节点* * 创建新节点并插入到链表的头部（头插法），新节点成为新的头节点* * @param list 指向链表的指针（链表管理结构）* @param data 指向要插入的人员信息数据的指针* @return 成功返回0，内存分配失败返回1*/
int InsertHeadLinkList(LinkList *list, DATATYPE *data)
{// 为新节点（LinkNode）分配内存LinkNode *newnode = malloc(sizeof(LinkNode));if (NULL == newnode)  // 检查内存分配是否成功{perror("InsertHeadLinkList malloc");  // 打印错误信息return 1;  // 返回错误码}// 复制数据到新节点的数据域（将data指向的人员信息拷贝到newnode->data）memcpy(&newnode->data, data, sizeof(DATATYPE));newnode->next = NULL;  // 初始化新节点的指针域（暂时指向NULL）// 如果链表非空（有节点），新节点的next指向原头节点if (!IsEmptyLinkList(list)){newnode->next = list->head;}// 更新链表头指针为新节点（新节点成为新的头）list->head = newnode;list->clen++;  // 链表有效节点数加1return 0;  // 返回成功码
}/*** @brief 判断链表是否为空* * 通过链表的有效节点数判断链表状态* * @param list 指向链表的指针* @return 链表为空返回1（真），非空返回0（假）*/
int IsEmptyLinkList(LinkList *list)
{return 0 == list->clen;  // 节点数为0则为空链表
}/*** @brief 遍历并打印链表中所有节点的信息* * 从链表头节点开始，依次访问每个节点，打印人员信息（姓名、性别、年龄、分数）* * @param list 指向链表的指针* @return 始终返回0（成功）*/
int ShowLinkList(LinkList *list)
{LinkNode *tmp = list->head;  // 定义临时指针，从 head 开始遍历// 循环遍历所有节点：当 tmp 不为 NULL 时（未到链表尾部）while (tmp){// 打印当前节点的人员信息printf("name:%s sex:%c age:%d score:%d\n", tmp->data.name,   // 姓名tmp->data.sex,    // 性别tmp->data.age,    // 年龄tmp->data.score); // 分数tmp = tmp->next;  // 移动到下一个节点}return 0;  // 返回成功码
}/*** @brief 在链表尾部插入新节点* * 创建新节点并插入到链表的尾部（尾插法），若链表为空则直接调用头插法* * @param list 指向链表的指针* @param data 指向要插入的人员信息数据的指针* @return 成功返回0，内存分配失败返回1*/
int InsertTailLinkList(LinkList *list, DATATYPE *data)
{// 如果链表为空，直接调用头插法（尾部即头部）if (IsEmptyLinkList(list)){return InsertHeadLinkList(list, data);}else  // 链表非空，查找尾部节点{LinkNode *tmp = list->head;// 循环找到最后一个节点：最后一个节点的 next 为 NULLwhile (tmp->next){tmp = tmp->next;  // 移动到下一个节点}// 为新节点分配内存LinkNode *newnode = malloc(sizeof(LinkNode));if (NULL == newnode)  // 检查内存分配{perror("InsertTailLinkList malloc");  // 打印错误信息return 1;  // 返回错误码}// 复制数据到新节点memcpy(&newnode->data, data, sizeof(DATATYPE));newnode->next = NULL;  // 尾部节点的 next 始终为 NULL// 将原尾部节点的 next 指向新节点（新节点成为新的尾部）tmp->next = newnode;}list->clen++;  // 有效节点数加1return 0;  // 返回成功码
}/*** @brief 在链表指定位置插入新节点* * 支持在链表的头部（pos=0）、尾部（pos=链表长度）或中间位置插入节点* * @param list 指向链表的指针* @param data 指向要插入的人员信息数据的指针* @param pos 插入位置（从0开始计数，0为头部，n为长度时为尾部）* @return 成功返回0，位置无效或内存分配失败返回1*/
int InsertPosLinkList(LinkList *list, DATATYPE *data, int pos)
{int len = GetSizeLinkList(list);  // 获取当前链表的长度（有效节点数）// 检查插入位置是否合法：pos 必须 ≥0 且 ≤链表长度if (pos < 0 || pos > len){fprintf(stderr, "InsertPosLinkList pos error\n");  // 打印位置错误信息return 1;  // 返回错误码}// 插入位置为头部（pos=0），直接调用头插法if (0 == pos){return InsertHeadLinkList(list, data);}// 插入位置为尾部（pos=链表长度），调用尾插法else if (pos == len){return InsertTailLinkList(list, data);}// 插入位置为中间（0 < pos < len）else{LinkNode *tmp = list->head;// 移动 tmp 到目标位置的前一个节点（pos-1 位置）int off = pos - 1;  // 需要移动的次数while (off--)  // 循环 off 次，每次移动到下一个节点{tmp = tmp->next;}// 为新节点分配内存LinkNode *newnode = malloc(sizeof(LinkNode));if (NULL == newnode){perror("InsertposLinkList malloc");  // 打印错误信息return 1;}// 复制数据到新节点memcpy(&newnode->data, data, sizeof(DATATYPE));newnode->next = NULL;  // 临时初始化指针域// 插入新节点：// 1. 新节点的 next 指向 tmp 的下一个节点（原 pos 位置的节点）newnode->next = tmp->next;// 2. tmp 的 next 指向新节点（新节点插入到 tmp 之后）tmp->next = newnode;}list->clen++;  // 有效节点数加1return 0;  // 返回成功码
}/*** @brief 获取链表的有效节点数（长度）* * 直接返回链表管理结构中存储的节点计数* * @param list 指向链表的指针* @return 链表的有效节点数*/
int GetSizeLinkList(LinkList *list)
{return list->clen;  // 返回 clen 成员（已维护的节点数）
}/*** @brief 根据姓名查找链表中的节点* * 遍历链表，通过字符串比较匹配姓名，返回第一个匹配的节点指针* * @param list 指向链表的指针* @param name 要查找的姓名（字符串）* @return 找到返回对应节点的指针，未找到返回NULL*/
LinkNode *FindLinkList(LinkList *list, char *name)
{LinkNode *tmp = list->head;  // 从 head 开始查找// 遍历所有节点while (tmp){// 比较当前节点的姓名与目标姓名（strcmp返回0表示相等）if (0 == strcmp(tmp->data.name, name)){return tmp;  // 找到匹配节点，返回指针}tmp = tmp->next;  // 移动到下一个节点}return NULL;  // 遍历完链表未找到，返回NULL
}/*** @brief 根据姓名删除链表中的节点* * 支持删除头节点和中间节点，释放节点内存并调整链表连接* * @param list 指向链表的指针* @param name 要删除的节点对应的姓名* @return 成功返回0，链表为空返回1*/
int DeleteLinkList(LinkList *list, char *name)
{// 若链表为空，无法删除，打印错误信息if (IsEmptyLinkList(list)){fprintf(stderr, "DeleteLinkList empty list\n");return 1;}LinkNode *tmp = list->head;  // 从 head 开始查找// 情况1：删除的是头节点（头节点姓名匹配）if (0 == strcmp(tmp->data.name, name)){list->head = list->head->next;  // 头指针指向原头节点的下一个节点free(tmp);  // 释放原头节点的内存list->clen--;  // 有效节点数减1}// 情况2：删除的是中间节点或尾节点else{// 遍历查找目标节点的前一个节点（通过 tmp->next 匹配姓名）while (tmp->next){if (0 == strcmp(tmp->next->data.name, name)){LinkNode *del = tmp->next;  // 记录要删除的节点tmp->next = tmp->next->next;  // 跳过要删除的节点（连接前后）free(del);  // 释放删除节点的内存list->clen--;  // 有效节点数减1break;  // 完成删除，退出循环}tmp = tmp->next;  // 移动到下一个节点}}return 0;  // 返回成功码
}/*** @brief 根据姓名修改链表中节点的信息* * 先通过姓名查找节点，找到后更新节点的人员信息* * @param list 指向链表的指针* @param name 要修改的节点对应的姓名* @param data 指向新的人员信息数据的指针* @return 成功返回0，未找到节点返回1*/
int ModifyLinkList(LinkList *list, char *name, DATATYPE *data)
{// 查找目标节点LinkNode *tmp = FindLinkList(list, name);if (tmp == NULL)  // 未找到节点{printf("modify error: node not found\n");  // 打印错误信息return 1;  // 返回错误码}// 复制新数据到找到的节点（覆盖原有数据）memcpy(&tmp->data, data, sizeof(DATATYPE));return 0;  // 返回成功码
}/*** @brief 销毁链表，释放所有分配的内存* * 依次释放链表中所有节点的内存，最后释放链表管理结构的内存* * @param list 指向链表的指针* @return 始终返回0（成功）*/
int DestroyLinkList(LinkList *list)
{LinkNode *tmp = list->head;  // 从 head 开始释放// 循环释放所有节点while(tmp){list->head = list->head->next;  // 头指针后移（保存下一个节点的地址）free(tmp);  // 释放当前节点的内存tmp = list->head;  // 移动到下一个节点}free(list);  // 释放链表管理结构的内存return 0;  // 返回成功码
}
main.c
#include <stdio.h>
#include "linklist.h"  // 包含链表操作的头文件，使用其中定义的结构体和函数/*** @brief 主函数，测试链表的各种操作* @param argc 命令行参数个数（未使用）* @param argv 命令行参数数组（未使用）* @return 程序执行成功返回0*/
int main(int argc, char** argv)
{// 创建一个空链表LinkList* ll = CreateLinkList();// 初始化人员信息数组，存储5个人员的姓名、性别、年龄、分数DATATYPE data[] = {{"zhangsan", 'm', 20, 80},   // 数据0：张三，男，20岁，80分{"lisi", 'f', 23, 84},       // 数据1：李四，女，23岁，84分{"wangmaizi", 'f', 32, 90},  // 数据2：王麦子，女，32岁，90分{"guanerge", 'm', 50, 91},   // 数据3：关二哥，男，50岁，91分{"liubei", 'm', 51, 92},     // 数据4：刘备，男，51岁，92分};// 以下是头插法测试代码（已注释）// InsertHeadLinkList(ll, &data[0]);  // 头部插入张三// InsertHeadLinkList(ll, &data[1]);  // 头部插入李四（成为新头）// InsertHeadLinkList(ll, &data[2]);  // 头部插入王麦子（成为新头）// ShowLinkList(ll);  // 显示头插后的链表// 测试尾插法：从链表尾部插入数据printf("-----------insert tail--------------------\n");InsertTailLinkList(ll, &data[0]);  // 尾部插入张三（链表为空时等同于头插）InsertTailLinkList(ll, &data[1]);  // 尾部插入李四（张三之后）InsertTailLinkList(ll, &data[2]);  // 尾部插入王麦子（李四之后）ShowLinkList(ll);  // 显示尾插后的链表内容// 测试指定位置插入：在索引1的位置插入关二哥printf("-----------insert pos--------------------\n");InsertPosLinkList(ll, &data[3], 1);  // 插入位置1（原张三之后、李四之前）ShowLinkList(ll);  // 显示插入后的链表内容// 测试查找功能：查找不存在的姓名"zhang1san"char want_name[] = "zhang1san";  // 要查找的姓名（故意写错，确保不存在）LinkNode* tmp = FindLinkList(ll, want_name);if (NULL == tmp){printf("cant find %s\n", want_name);  // 未找到时提示}else{printf("name:%s score:%d\n", tmp->data.name, tmp->data.score);  // 找到时打印信息}// 测试删除功能：删除姓名为"lisi"的节点printf("-----------del--------------------\n");DeleteLinkList(ll, "lisi");  // 删除李四ShowLinkList(ll);  // 显示删除后的链表内容// 测试修改功能：将"wangmaizi"的信息修改为刘备的数据printf("-----------modify--------------------\n");ModifyLinkList(ll, "wangmaizi", &data[4]);  // 王麦子的信息替换为刘备ShowLinkList(ll);  // 显示修改后的链表内容// 销毁链表，释放所有内存（防止内存泄漏）DestroyLinkList(ll);return 0;
}

运行结果：

尾插法插入 3 个节点
依次插入zhangsan、lisi、wangmaizi，链表顺序为插入顺序：
plaintext
-----------insert tail--------------------
name:zhangsan sex:m age:20 score:80
name:lisi sex:f age:23 score:84
name:wangmaizi sex:f age:32 score:90指定位置插入节点
在索引 1 的位置插入guanerge（原zhangsan之后），新顺序为：
zhangsan → guanerge → lisi → wangmaizi
plaintext
-----------insert pos--------------------
name:zhangsan sex:m age:20 score:80
name:guanerge sex:m age:50 score:91
name:lisi sex:f age:23 score:84
name:wangmaizi sex:f age:32 score:90查找不存在的节点
查找zhang1san（不存在），输出提示：
plaintext
cant find zhang1san删除节点
删除lisi后，链表顺序变为：
zhangsan → guanerge → wangmaizi
plaintext
-----------del--------------------
name:zhangsan sex:m age:20 score:80
name:guanerge sex:m age:50 score:91
name:wangmaizi sex:f age:32 score:90修改节点信息
将wangmaizi的信息替换为liubei的数据，结果为：
plaintext
-----------modify--------------------
name:zhangsan sex:m age:20 score:80
name:guanerge sex:m age:50 score:91
name:liubei sex:m age:51 score:92  // 原wangmaizi已被修改为liubei的信息

http://www.dtcms.com/a/340133.html

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