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链表理论基础

news 来源：原创 2025/5/15 5:00:37

一、链表的基本知识

链表是一种特殊的数据结构，下面通过一个生活中的例子来帮助理解：想象你在银行办理业务时，首先需要抽号。每个顾客拿到号码后，会随意坐在一旁等待叫号。当叫到你时，你才会去办理业务。这里，抽到的号码就像是链表中的“节点”，每个顾客（节点）持有一个号码，并通过叫号顺序（指针）指向下一个顾客（节点）。整个过程就像是链表的遍历：每个节点通过“指针”连接下一个节点，直到最后一个顾客，指向为 NULL，表示结束。每位顾客坐的位置是无序的，但是办理业务时却是有序的，这表明他们在逻辑上有序的。

那么什么是链表？链表（Linked List）是一种线性数据结构，它由一系列节点（Node）组成，每个节点包含两部分：数据域（Data）和指向下一个节点的指针域（Next）。链表的特点是节点在内存中不是连续存储的，每个节点通过指针链接到下一个节点，从而形成一个链式结构。这些节点在逻辑上是有序的。

链表的入口节点称为链表的头结点也就是head。

二、循环链表

循环链表（Circular Linked List） 是一种链表变体，它与普通的链表（如单向链表、双向链表）最大的区别在于，最后一个节点的指针指向头节点，形成一个循环结构。这种结构可以是单向循环链表，也可以是双向循环链表。

循环链表可以用来解决约瑟夫环问题。

2.1循环链表的特点

没有空指针（NULL）：在普通的链表中，最后一个节点的 next 指针指向 NULL，表示链表的结束。而在循环链表中，最后一个节点的 next 指针指向头节点，形成一个闭环。
遍历便利：循环链表的一个显著特点是可以从任意节点开始，循环遍历整个链表，无需担心链表的结束。通过一个指针就能遍历整个链表。
适用于循环操作：循环链表适合用于需要循环往复访问元素的场景，例如：模拟游戏中的轮流操作、缓存数据的循环访问等。

2.2 循环链表的优势

无限循环遍历：由于链表是循环的，可以在遍历过程中无休止地循环遍历所有节点，适用于需要周期性或轮换访问数据的场景。
容易处理环状数据：在某些应用中（比如游戏、调度算法等），我们需要不断循环地访问数据，循环链表提供了自然的支持。
插入和删除：和普通链表一样，循环链表在插入和删除节点时也具有较高的灵活性，尤其是当操作发生在链表的开头或末尾时，不需要移动其他节点。

2.3 循环链表的缺点

指针操作复杂：循环链表在实现时需要特别注意指针的操作，尤其是在插入或删除节点时，要确保不会破坏循环结构。
不容易检测链表结束：由于循环链表没有NULL作为终止标志，遍历时必须依赖其他方式来判断是否回到了起始节点，从而避免陷入死循环。

2.4 应用场景

循环队列/缓冲区：在环形缓冲区中，数据是不断循环使用的，适合用循环链表来实现。
操作系统调度：某些操作系统的任务调度算法使用循环链表来实现轮询任务调度。
游戏中的回合制系统：如多人在线游戏中，玩家按顺序轮流行动，循环链表可用来存储玩家信息，保证轮流操作。

三、链表的存储方式

了解完链表的类型，再来说一说链表在内存中的存储方式。

数组是在内存中是连续分布的，但是链表在内存中可不是连续分布的。

链表是通过指针域的指针链接在内存中各个节点。

所以链表中的节点在内存中不是连续分布的，而是散乱分布在内存中的某地址上，分配机制取决于操作系统的内存管理。

如图所示：

这个链表起始节点为2，终止节点为7，各个节点分布在内存的不同地址空间上，通过指针串联在一起。

四、链表的代码定义

接下来说一说链表的定义。

链表节点的定义，很多同学在面试的时候都写不好。

这是因为平时在刷leetcode的时候，链表的节点都默认定义好了，直接用就行了，所以同学们都没有注意到链表的节点是如何定义的。

而在面试的时候，一旦要自己手写链表，就写的错漏百出。

这里我给出C/C++的定义链表节点方式，如下所示：

// 单链表
struct ListNode {
    int val;  // 节点上存储的元素
    ListNode *next;  // 指向下一个节点的指针
    ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}  // 节点的构造函数
// ----------------------------------------------------------------
ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}代码解读
1. ListNode(int x)
这是构造函数的 函数声明部分。

ListNode 是结构体的名称，表示你正在定义一个 ListNode 类型的对象。
(int x) 是构造函数的参数，表示构造函数接收一个整数 x，通常这个 x 用来初始化节点的 val 字段。这个 x 只是构造函数的输入参数，用于给节点的 val 字段赋值。
2. : val(x), next(NULL)
这一部分是 构造函数的初始化列表。它在构造函数体执行之前先执行，主要用于初始化成员变量。

val(x)：初始化 val 成员变量，将传入的参数 x 赋值给 val。即，x 的值会被传递给 val，从而在创建 ListNode 对象时，节点的 val 被初始化为 x。
next(NULL)：初始化 next 成员变量，将 next 指针初始化为 NULL，表示当前节点没有指向下一个节点（即该节点是链表中的最后一个节点，或者尚未与其他节点连接）。
3. {}
这是构造函数的 空函数体，表示构造函数完成了所有初始化任务后不需要其他的操作。在这个例子中，所有初始化操作都通过初始化列表完成，因此函数体可以是空的。
整体解读
构造函数的作用：构造函数用于在创建 ListNode 类型的对象时自动初始化该对象的成员变量。此构造函数将 x 作为输入，赋值给 val，并将 next 初始化为 NULL，表示当前节点不连接任何其他节点。
};

C语言中的链表初始化

在C语言中，你需要手动管理结构体的初始化，例如：

struct ListNode {
    int val;
    struct ListNode* next;
};

struct ListNode* createNode(int x) {
    struct ListNode* newNode = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
    if (newNode) {
        newNode->val = x;
        newNode->next = NULL;
    }
    return newNode;
}

这里，C语言没有构造函数，所以我们需要通过显式的malloc和字段初始化来创建和初始化链表节点。每次创建节点时，都需要手动调用createNode函数来初始化节点。