链表的基本操作

Posted 2021-02-20 futuresience

链表的基本操作（C语言）详解

 链表顺序表和链表的优缺点 

《链表及创建》一节我们学习了如何使用链表存储数据元素，以及如何使用 C 语言创建链表。本节将详细介绍对链表的一些基本操作，包括对链表中数据的添加、删除、查找（遍历）和更改。

注意，以下对链表的操作实现均建立在已创建好链表的基础上，创建链表的代码如下所示：

1. //声明节点结构
2. typedef struct Link{
3. int elem;//存储整形元素
4. struct Link *next;//指向直接后继元素的指针
5. }link;
6. //创建链表的函数
7. link * initLink(){
8. link * p=(link*)malloc(sizeof(link));//创建一个头结点
9. link * temp=p;//声明一个指针指向头结点，用于遍历链表
10. //生成链表
11. for (int i=1; i<5; i++) {
12. //创建节点并初始化
13. link *a=(link*)malloc(sizeof(link));
14. a->elem=i;
15. a->next=NULL;
16. //建立新节点与直接前驱节点的逻辑关系
17. temp->next=a;
18. temp=temp->next;
19. }
20. return p;
21. }

从实现代码中可以看到，该链表是一个具有头节点的链表。由于头节点本身不用于存储数据，因此在实现对链表中数据的"增删查改"时要引起注意。

链表插入元素

同顺序表一样，向链表中增添元素，根据添加位置不同，可分为以下 3 种情况：

• 插入到链表的头部（头节点之后），作为首元节点；
• 插入到链表中间的某个位置；
• 插入到链表的最末端，作为链表中最后一个数据元素；

虽然新元素的插入位置不固定，但是链表插入元素的思想是固定的，只需做以下两步操作，即可将新元素插入到指定的位置：

1. 将新结点的 next 指针指向插入位置后的结点；
2. 将插入位置前结点的 next 指针指向插入结点；

例如，我们在链表 {1,2,3,4} 的基础上分别实现在头部、中间部位、尾部插入新元素 5，其实现过程如图 1 所示：

图 1 链表中插入元素的 3 种情况示意图

从图中可以看出，虽然新元素的插入位置不同，但实现插入操作的方法是一致的，都是先执行步骤 1 ，再执行步骤 2。

注意：链表插入元素的操作必须是先步骤 1，再步骤 2；反之，若先执行步骤 2，会导致插入位置后续的部分链表丢失，无法再实现步骤 1。

通过以上的讲解，我们可以尝试编写 C 语言代码来实现链表插入元素的操作：

1. //p为原链表，elem表示新数据元素，add表示新元素要插入的位置
2. link * insertElem(link * p,int elem,int add){
3. link * temp=p;//创建临时结点temp
4. //首先找到要插入位置的上一个结点
5. for (int i=1; i<add; i++) {
6. if (temp==NULL) {
7. printf("插入位置无效 ");
8. return p;
9. }
10. temp=temp->next;
11. }
12. //创建插入结点c
13. link * c=(link*)malloc(sizeof(link));
14. c->elem=elem;
15. //向链表中插入结点
16. c->next=temp->next;
17. temp->next=c;
18. return p;
19. }

提示，insertElem 函数中加入一个 if 语句，用于判断用户输入的插入位置是否有效。例如，在已存储 {1,2,3} 的链表中，用户要求在链表中第 100 个数据元素所在的位置插入新元素，显然用户操作无效，此时就会触发 if 语句。

链表删除元素

从链表中删除指定数据元素时，实则就是将存有该数据元素的节点从链表中摘除，但作为一名合格的程序员，要对存储空间负责，对不再利用的存储空间要及时释放。因此，从链表中删除数据元素需要进行以下 2 步操作：

1. 将结点从链表中摘下来;
2. 手动释放掉结点，回收被结点占用的存储空间;

其中，从链表上摘除某节点的实现非常简单，只需找到该节点的直接前驱节点 temp，执行一行程序：

temp->next=temp->next->next;

例如，从存有 {1,2,3,4} 的链表中删除元素 3，则此代码的执行效果如图 2 所示：

图 2 链表删除元素示意图

因此，链表删除元素的 C 语言实现如下所示：

1. //p为原链表，add为要删除元素的值
2. link * delElem(link * p,int add){
3. link * temp=p;
4. //temp指向被删除结点的上一个结点
5. for (int i=1; i<add; i++) {
6. temp=temp->next;
7. }
8. link * del=temp->next;//单独设置一个指针指向被删除结点，以防丢失
9. temp->next=temp->next->next;//删除某个结点的方法就是更改前一个结点的指针域
10. free(del);//手动释放该结点，防止内存泄漏
11. return p;
12. }

我们可以看到，从链表上摘下的节点 del 最终通过 free 函数进行了手动释放。

链表查找元素

在链表中查找指定数据元素，最常用的方法是：从表头依次遍历表中节点，用被查找元素与各节点数据域中存储的数据元素进行比对，直至比对成功或遍历至链表最末端的 NULL（比对失败的标志）。

因此，链表中查找特定数据元素的 C 语言实现代码为：

1. //p为原链表，elem表示被查找元素、
2. int selectElem(link * p,int elem){
3. //新建一个指针t，初始化为头指针 p
4. link * t=p;
5. int i=1;
6. //由于头节点的存在，因此while中的判断为t->next
7. while (t->next) {
8. t=t->next;
9. if (t->elem==elem) {
10. return i;
11. }
12. i++;
13. }
14. //程序执行至此处，表示查找失败
15. return -1;
16. }

注意，遍历有头节点的链表时，需避免头节点对测试数据的影响，因此在遍历链表时，建立使用上面代码中的遍历方法，直接越过头节点对链表进行有效遍历。

链表更新元素

更新链表中的元素，只需通过遍历找到存储此元素的节点，对节点中的数据域做更改操作即可。

直接给出链表中更新数据元素的 C 语言实现代码：

1. //更新函数，其中，add 表示更改结点在链表中的位置，newElem 为新的数据域的值
2. link *amendElem(link * p,int add,int newElem){
3. link * temp=p;
4. temp=temp->next;//在遍历之前，temp指向首元结点
5. //遍历到被删除结点
6. for (int i=1; i<add; i++) {
7. temp=temp->next;
8. }
9. temp->elem=newElem;
10. return p;
11. }

总结

以上内容详细介绍了对链表中数据元素做"增删查改"的实现过程及 C 语言代码，在此给出本节的完整可运行代码：

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
4. typedef struct Link{
5. int elem;
6. struct Link *next;
7. }link;
8. link * initLink();
9. //链表插入的函数，p是链表，elem是插入的结点的数据域，add是插入的位置
10. link * insertElem(link * p,int elem,int add);
11. //删除结点的函数，p代表操作链表，add代表删除节点的位置
12. link * delElem(link * p,int add);
13. //查找结点的函数，elem为目标结点的数据域的值
14. int selectElem(link * p,int elem);
15. //更新结点的函数，newElem为新的数据域的值
16. link *amendElem(link * p,int add,int newElem);
17. void display(link *p);
19. int main() {
20. //初始化链表（1，2，3，4）
21. printf("初始化链表为： ");
22. link *p=initLink();
23. display(p);
25. printf("在第4的位置插入元素5： ");
26. p=insertElem(p, 5, 4);
27. display(p);
29. printf("删除元素3: ");
30. p=delElem(p, 3);
31. display(p);
33. printf("查找元素2的位置为： ");
34. int address=selectElem(p, 2);
35. if (address==-1) {
36. printf("没有该元素");
37. }else{
38. printf("元素2的位置为：%d ",address);
39. }
40. printf("更改第3的位置上的数据为7: ");
41. p=amendElem(p, 3, 7);
42. display(p);
44. return 0;
45. }
47. link * initLink(){
48. link * p=(link*)malloc(sizeof(link));//创建一个头结点
49. link * temp=p;//声明一个指针指向头结点，用于遍历链表
50. //生成链表
51. for (int i=1; i<5; i++) {
52. link *a=(link*)malloc(sizeof(link));
53. a->elem=i;
54. a->next=NULL;
55. temp->next=a;
56. temp=temp->next;
57. }
58. return p;
59. }
60. link * insertElem(link * p,int elem,int add){
61. link * temp=p;//创建临时结点temp
62. //首先找到要插入位置的上一个结点
63. for (int i=1; i<add; i++) {
64. if (temp==NULL) {
65. printf("插入位置无效 ");
66. return p;
67. }
68. temp=temp->next;
69. }
70. //创建插入结点c
71. link * c=(link*)malloc(sizeof(link));
72. c->elem=elem;
73. //向链表中插入结点
74. c->next=temp->next;
75. temp->next=c;
76. return p;
77. }
79. link * delElem(link * p,int add){
80. link * temp=p;
81. //遍历到被删除结点的上一个结点
82. for (int i=1; i<add; i++) {
83. temp=temp->next;
84. }
85. link * del=temp->next;//单独设置一个指针指向被删除结点，以防丢失
86. temp->next=temp->next->next;//删除某个结点的方法就是更改前一个结点的指针域
87. free(del);//手动释放该结点，防止内存泄漏
88. return p;
89. }
90. int selectElem(link * p,int elem){
91. link * t=p;
92. int i=1;
93. while (t->next) {
94. t=t->next;
95. if (t->elem==elem) {
96. return i;
97. }
98. i++;
99. }
100. return -1;
101. }
102. link *amendElem(link * p,int add,int newElem){
103. link * temp=p;
104. temp=temp->next;//tamp指向首元结点
105. //temp指向被删除结点
106. for (int i=1; i<add; i++) {
107. temp=temp->next;
108. }
109. temp->elem=newElem;
110. return p;
111. }
112. void display(link *p){
113. link* temp=p;//将temp指针重新指向头结点
114. //只要temp指针指向的结点的next不是Null，就执行输出语句。
115. while (temp->next) {
116. temp=temp->next;
117. printf("%d ",temp->elem);
118. }
119. printf(" ");
120. }

代码运行结果：

初始化链表为：
1 2 3 4
在第4的位置插入元素5：
1 2 3 5 4
删除元素3:
1 2 5 4
查找元素2的位置为：
元素2的位置为：2
更改第3的位置上的数据为7:
1 2 7 4