数据结构笔记 3.线性表(2)单链表

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每个数据元素a_i与其直接后继数据元素a_i+1之前的逻辑关系，对数据元素ai来说，除了存储其本身的信息之外，还需存储一个指示其直接后继的信息（即直接后继的存储位置）。我们把存储数据元素信息的域称为数据域，把存储直接后继位置的域称为指针域。指针域中存储的信息称做指针或链。这两部分信息组成数据元素a_i的存储映像，称为结点（Node)。

n个结点（a_i的存储映像）链结成一个链表，即为线性表（a1,a2,……an)的链式存储结构，因为此链表的每个结点中只包含一个指针域，所以叫单链表。

链表中第一个结点的存储位置叫做头指针，最后一个结点指针为“空”（通常用NULL 或”^”符号表示）

有时，我们为了更加方便地对链表进行操作，会在单链表的第一个结点前附设一个结点，称为头结点。

头指针与头结点的异同

2. 线性表链式存储结构代码描述

若线性表为空表，则头结点的指针域为“空”

若带有头结点的单链表，则如下图

空链表如下图

单链表中，我们在C语言中可用结构指针来描述

/*线性表的单链表存储结构*/
typedef struct Node 
{
    ElemType data;
    struct Node *next;
}Node;

typedef struct Node *LinkList; /*定义LinkList*/

结点由存放数据元素的数据域和存放后继结点地址的指针域。

假设p是指向线性表第i个元素的指针，则该结点ai的数据域我们可以用p->data来表示，p->data的值是一个数据元素，结点ai的指针域可以用p->next来表示，p->next的值是一个指针。 p->next指向ai+1的指针。也就是说，如果p->data = ai, 那么p->next->data = ai+1

3. 单链表的读取

获得链表的第i个数据的算法思路

声明一个结点p指向链表第一个结点，初始化j从1开始;
当j<i时，就遍历链表，让p的指针向后移动，不断指向下一个结点，j累加1;
若到链表末尾p为空，则说明第i个元素不存在
否则查找成功，返回结点p的数据

实现代码算法如下：

/*初始条件： 顺序线性表L已存在，1<=i<=ListLength(L)*/
/*操作结构：用e返回L中第i个数据元素的值*/
Status GetElem(LinkList L, int i, ElemType *e) 
{
    int j;
    LinkList p; /*声明一结点p*/
    p = L->next; /*让p指向链表L的第一个结点*/
    j = 1;  /*j为计数器*/
    while (p && j<i) { /*p不为空或者计数器j还没有等于i时，循环继续*/
        p = p->next;    /*让p指向下一个结点*/
        ++j;
    }
    if (!p || j>i) 
        return ERROR;   //第i个元素不存在
    *e = p->data; //取第i个元素的数据
    return OK;
}

说白了，就是从头开始找，直到第i个元素为止。由于这个算法的时间复杂度取决于i的位置，当i=1时，则不需遍历，第一个就取出数据了，而当i=n时则遍历n-1次才可以。因此最坏的情况的时间复杂度是o(n).

4. 单链表的插入

假设存储元素e的结点为s, 要实现结点p, p->next和s之间的逻辑关系的变化，只需将结点s插入到结点p和p->next之间即可。

只需要让s->next和p->next的指针做一点改变。

s->next=p->next;
p->next=s;

让p的后继结点改成s的后继结点，再把结点s变成p的后继结点

插入s后

对于单链表的表头和表尾的特殊性况，操作是相同的

单链表第i个数据插入结点的算法思路：

声明一结点p指向链表第一个结点，初始化j从1开始；
当j<i时，就遍历链表，让p的指针向后移动，不断指向下一结点，j累加1；
若到链表末尾p为空，则说明第i个元素不存在；
否则查找成功，在系统中生成一个空结点s;
将数据元素e赋值给s->data;
单链表的插入标准语句s->next = p->next; p->next=s;
返回成功

代码描述：

/**
 * @brief 单链表的插入
 * 初始条件，顺序线性表L已经存在， 1<=L<=ListLength(L)
 * 操作结果： 在L中第i个位置之前插入新的数据元素e,L的长度加1
 * 
 */
Status ListInsert(LinkLit *L, int i, ElemType e) 
{
    int j;
    LinkList p, s;
    p = *L;
    j = 1;
    while( p && j<i) {//寻找第i个结点
        p = p->next;
        ++j;
    }
    if(!p || j>i)
        return ERROR;   //第i个元素不存在
    s = (LinkList) malloc(sizeof(Node)); //生成新结点(C标准函数)
    s->data = e;
    s->next = p->next;
    p->next = s;
    return OK;
}

这里我们用了malloc C语言的标准函数，它作用为生成一个新的结点。其类型与Node一样。

5. 单链表的删除

设存储元素ai的结点为q, 要实现将结点q删除单链表的操作，其实就是将它的前继结点的指针绕过，指向它的后继结点即可。

实际上就一步， p->next = p->next->next, 用q来取代p->next,即是 q=p->next; p->next = q->next;

单链表第i个数据删除结点的算法思路：

声明一结点p指向链表的第一个结点，初始化j从1开始；
当j<i时，就遍历链表，让 p的指针向后移动，不断指向下一个结点，累加j
若到链表末尾p为空，则说明第i个元素不存在
否则查找成功，将欲删除的结点p->next赋值给q;
单链表的删除标准语句：p->next = q->next;
将q结点中的数据赋值给e，作为返回；
释放q结点；
返回成功

代码：

Status ListDelete(LinkList *L, int i, ElemType *e) 
{
    int j; 
    LinkList p, q;
    p = *L;
    j = 1;
    while (p->next && j<i) {
        p = p->next;
        ++j;
    }
    if (!(p->next) || j>i) {
        return ERROR;
    }
    q = p->next;
    p->next = q->next;
    *e = q->data;
    free(q);
    return OK;
}

C语言标准函数free, 作用是让系统回收一个Node结点，释放内存。

单链表的插入与删除，时间复杂度都是O(n)。

6. 单链表的整表创建

顺序存储结构的创建，其实就是一个数组的初始化，即声明一个类型和大小的数组并赋值的过程。单链表则不一样：

单链表整表创建的算法思路：

声明一结点p和计数器变量i;
初始化一空链表L;
让L的头结点的指针指向NULL，即建立一个带头结点的单链表；
循环：
- 生成一新结点赋值给p;
- 随机生成一数字赋值给p的数据域p->data;
- 将p插入到头结点与前一新结点之间。

/**
 * @brief 单链表创建整表， 头插法
 * 
 */
void CreateListHead(LinkList *L, int n)
{
    LinkList p;
    int i; 
    srand(time());
    *L = (LinkList) malloc (sizeof(Node));
    (*L)->next = NULL;
    for (i=0; i<n; i++) {
        p = (LinkLIst) malloc(sizeof(Node)); 
        p->data = rand()%100+1;
        p->next = (*L)->next;
        (*L)->next = p;
    }
}

/**
 * @brief 随机产生n个元素的值，建立带表头结点的单链线性表L（尾插法)
 * 
 * @param L 
 * @param n 
 */
void CreateLIstTail(LinkList *L, int n) 
{
    LinkList p, r;
    int i;
    srand(time(0)); 
    *L = (LinkList) malloc(sizeof(Node));
    r = *L; //r为指向尾部的结点
    for (i=0; i<n; i++) {
        p = (Node *) moalloc(sizeof(Node));
        p->data = rand()%100 +1;        //随机生成100以内的数字 
        r->next = p;
        r = p;
    }
    r->next = NULL;
}

注意：L与r的关系，L是指整个单链表，而r是指向尾结点的变量，r会随着循环不断地变化结点，而L则是随着循环增长为一个多结点的链表。

这里需要解释一下，r->next = p;的意思，其实就是将刚才的表尾终端结点r的指镇里指向新结点p

r = p是什么意思？

本来r是在ai-1元素的结点，可现在它已经不是最后的结点了，现在最后的结点是ai,所以应该要让将p结点这个最后的结点赋值给r。此时r又是最终的尾结点了。

7。单链表的整表删除

算法思路：

声明一个结点p和q;
将第一结点赋值给p;
循环：
- 将下一结点赋值给q;
- 释放p;
- 将q赋值给p

代码：

Status ClearList(LinkList *L)
{
    LinkList p, q;
    p = (*L)->next;
    while(p) {
        q = p->next;
        free(p);
        p = q;
    }
    (*L)->next = NULL; //头结点指针域为空
    return OK;
}

8. 单链表结构与顺序存储结构优缺点

结论：

若线性表需要频繁查找，很少进行插入和删除操作时，宜采用顺序存储结构。若要频繁插入和删除时，宜采用单有结构。
当线性表中的元素个数变化较大或者根本不知道有多大时，最好用单链表结构，这样可以不需要考虑存储空间大小问题。

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