Linked List 链表详解

本文是stanford cs library中两篇关于linked list的文章合体版

我觉得这两篇讲linked list的文章写的非常非常好，所以在博客里自己写一下，也算是温习巩固数据结构的知识了

本文代码下载：

本文结合一个实际的例子来解释什么是linked list，如何使用linked list

不过在解释linked list之前，必须先要了解指针的相关知识，这里先做一个简单回顾一下指针

1.指针存储了对另一个变量的引用。 指针的值是一个地址。

2.在C语言中，   *  这个符号被称为解析符号，它用来取得指针所指向的那个变量的值，举个例子

#include
void main ()
{
    int a=3;

    int* p = &a;

    printf("*p=%d\n",*p);
}

上面这个例子在printf打印函数中，*p就是把指针p指向的变量a的值取出来

我记得我在学习C语言指针的时候，一直搞不清楚 * 这个符号，一个原因就是 int* p=&a  在这行代码中， int* p是申明了一个指针，这一行代码也能够拆成两行来写

int *p;
p=&a;??

但是请注意，int* p和 int *p这两种写法是一样的，都是申明了一个指向整形变量的指针，但是 int* p更好，因为 int* 表示这是一个指向整形的指针，名字叫做p，而 int *p 的写法容易让人误解为指针的名字叫做 *p，我当时学C语言时在这个问题上纠结了很久

3. & 这个符号叫做取地址符，在上面的例子中， int *p = &a; 这行代码就是把变量 a 的地址赋给指针 p

关于指针内容其实非常多，这里只是一个简单的回顾，想看更多关于指针的资料，我推荐大家看这篇文章，， 这篇文章是stanford大学的教授写的，我看完以后，有一种豁然开朗的感觉

linked list是一种和数组有几分相似的数据结构，我相信大家都非常了解数组，数组有3个很明显的缺点：

1. 数组的长度是固定的。比如申明了一个长度为100的整形数组 int a[100]， 数组a的长度就是100，如果这时需要存储200个数字，那么a就用不了了

2. 数组造成存储空间的浪费。如果这时数组a只存储了 1个整数，那么它的其他99个位置就相当于浪费了

3. 往数组里插入元素的开销是非常大的。比如要在数组的第一个元素的位置上插入1个整数，那就得把数组其他位置上的元素都向后移动一位

正因为数组有以上的这些缺点，所以产生了linked list，linked list很好的克服了以上的三个缺点

首先，定义一个名字叫做node的结构体

struct node {
    int data;
    struct node* next;
};

这个结构体中包含一个整数，和一个指向结构体node的指针

接下来我们写一个函数，生成一个linked list

struct node* BuildOneTwoThreeFourFive() {
    struct node* head = NULL;
    struct node* second = NULL;
    struct node* third = NULL;
    struct node* forth = NULL;
    struct node* fifth = NULL;

    head = malloc(sizeof(struct node));
    second = malloc(sizeof(struct node));
    third = malloc(sizeof(struct node));
    forth = malloc(sizeof(struct node));
    fifth = malloc(sizeof(struct node));

    head->data = 1;
    head->next = second;

    second->data = 2;
    second->next = third;

    third->data = 3;
    third->next = forth;

    forth->data = 4;
    forth->next = fifth;

    fifth->data = 5;
    fifth->next= NULL;
    return head;
}

现在，这个linked list就会有5个元素，如果打印出这个linked list的data值，那就是 {1,2,3,4,5}

求linked list长度的函数

int Length(struct node* head) {
    struct node* current = head;
    int count = 0;

    while(current != NULL) {
        count++;
        current = current->next;
    }

    return count;
}

往这个linked list里添加一个节点，这个节点要在linked list的头部，

void Push(struct node** headRef, int data) {
    struct node* newNode = malloc(sizeof(struct node));

    newNode->data = data;
    newNode->next = *headRef;
    *headRef = newNode;
}

这个Push函数是一个比较难理解的地方，因为它的参数列表有一个参数 struct node** headRef。

我们都知道， struct node* head表示的是一个指向struct node的指针，名字是head

那么，struct node** headRef表示的就是一个指向struct node的指针的指针，名字是headRef

当然，这个地方为什么用指针的指针，还是很有讲究的，至于为什么，可以参考本文开头时提到的第一篇文章，由于篇幅有限，这里不做解释了

写一个函数，函数有两个参数，一个是linked list，另一个是一个整数，查询在这个linked list里有几个元素的data值和整个整数相等

int Length(struct node* head) {
    struct node* current = head;
    int count = 0;

    while(current != NULL) {
        count++;
        current = current->next;
    }

    return count;
}

取得linked list中的第N个元素的data值

int GetNth(struct node* head, int index) {
    struct node* current = head;
    int count = 0;

    while(current != NULL) {
        if(count == index) return (current->data);
        count++;
        current = current->next;
    }

    assert(0);
}

删除这个linked list

void DeleteList(struct node** headRef) {
    struct node* current = *headRef;
    struct node* next;

    while(current != NULL) {

        next = current->next;
        free(current);
        current = next;
    }

    *headRef = NULL;
}

取出这个linked list里头部的那个节点的data值，并且销毁第一个节点

int Pop(struct node** headRef) {
    struct node* head;
    int result;

    head = *headRef;

    assert(head != NULL);

    result = head->data;
    *headRef = head->next;

    free(head);
    return result;
}

在第n个节点的位置上插入一个节点

void InsertNth(struct node** headRef, int index, int data) {
    if(index == 0) Push(headRef,data);

    else {
        struct node* current = *headRef;
        int i;

        for(i=0; i
            assert(current != NULL);
            current = current->next;
        }

        assert(current != NULL);

        Push(&(current->next),data);

    }
}

假设一个linked list已经按照data的升序排列好了，这时往这个linked list添加一个节点，这个节点会被加入的正确的位置上

void SortedInsert(struct node** headRef, struct node* newNode) {
    if(*headRef == NULL || (*headRef)->data >= newNode->data) {
                newNode->next = *headRef;
        *headRef = newNode;
    }
    else {
        struct node* current = *headRef;
        while(current->next != NULL && current->next->datadata) {
            current = current->next;
        }
        newNode->next = current->next;
        current->next = newNode;
    }
}

linked list插入排序

void InsertSort(struct node** headRef) {
    struct node* result = NULL;
    struct node* current = *headRef;
    struct node* next;

    while(current != NULL) {
        next = current->next;
        SortedInsert(&result, current);
        current = next;
    }

    *headRef = result;
}

把一个链表加入到另一个链表的尾部

void Append(struct node** aRef, struct node** bRef) {
    struct node* current;
    if(*aRef == NULL) {
        *aRef = *bRef;
    }
    else {
        current = *aRef;
        while(current->next != NULL)
            current = current->next;

        current->next = *bRef;
    }

    *bRef = NULL;
}

把一个链表对半分，比如，链表是{2,3,5,7,11}, 分割后产生两个链表，第一个{2,3,5}, 第二个{7,11}

void FrontBackSplit(struct node* source, struct node** frontRef, struct node** backRef) {
    int len = Length(source);

    int i;
    struct node* current = source;

    if(len<2) {
        *frontRef = source;
        *backRef = NULL;
    }
    else {
        int hopCount  = (len-1)/2;
        for(i=0; i
            current = current->next;

        *frontRef = source;
        *backRef = current->next;
        current->next = NULL;
    }
}

去除链表中的重复节点

void RemoveDuplicates(struct node* head) {
    struct node* current = head;
    if(current == NULL) return;

    // compare current node with next node
    while(current->next != NULL) {
        if(current->data == current->next->data) {
            struct node* nextNext = current->next->next;
            free(current->next);
            current->next = nextNext;
        }
        else {
            current = current->next;
        }
    }
}

把第二个链表的第一个节点添加到第一个链表的头节点上

void MoveNode(struct node** destRef, struct node** sourceRef) {
    struct node* newNode = *sourceRef;
    assert(newNode != NULL);

    *sourceRef = newNode->next;

    newNode->next = *destRef;
    *destRef = newNode;
}

AlternatingSplit

每隔一个节点取出的合成一个linked list，比如，{a,b,c,d,e,f}在 AlternatingSplit()后生成两个链表 {a,c,e}   和 {b,d,f}

void AlternatingSplit(struct node* source, struct node** aRef, struct node** bRef) {
    struct node* a = NULL;
    struct node* b = NULL;

    struct node* current = source;
    while(current != NULL) {
        MoveNode(&a,¤t);
        if(current!=NULL)
            MoveNode(&b,¤t);
    }

    *aRef = a;
    *bRef = b;
}

ShuffleMerge

这个函数的目的需要举例说明，比如，两个链表{1,2,3}和{7,13,1},两个链表shufflemerge后的结构就是{1,7,2,13,3,1}

也就是分别取出每个从每个链表头节点合并成一个链表

struct node* ShuffleMerge(struct node* a, struct node* b) {
    struct node* result;
    struct node* recur;

    if(a == NULL) return b;
    else if(b == NULL) return a;
    else {
        recur = ShuffleMerge(a->next, b->next);

        result = a;
        a->next = b;
        b->next = recur;
        return result;
    }
}

SortedMerge

假设两个链表都是按照升序递增的，把两个链表合并，并且合并后的链表也是按照升序排列的

struct node* SortedMerge(struct node* a, struct node* b) {
    struct node dummy;
    struct node* tail = &dummy;

    dummy.next = NULL;

    while(1) {
        if(a == NULL) {
            tail->next = b;
            break;
        }

        else if (b == NULL) {
            tail->next = a;
            break;
        }
        if(a->data <= b->data) {
            MoveNode(&(tail->next),&a);
        }
        else {
            MoveNode(&(tail->next),&b);
        }
        tail = tail->next;
    }

    return dummy.next;
}

MergeSort

链表的归并排序

void MergeSort(struct node** headRef) {
    struct node* head = *headRef;
    struct node* a;
    struct node* b;

    if((head==NULL) || (head->next)==NULL)
        return;

    FrontBackSplit(head,&a,&b);

    MergeSort(&a);
    MergeSort(&b);

    *headRef = SortedMerge(a,b);
}

SortedIntersect

假设两个链表是按照升序排列的，找出两个链表相等的节点

struct node* SortedIntersect(struct node* a, struct node* b) {
    struct node dummy;
    struct node* tail = &dummy;

    dummy.next = NULL;

    while(a != NULL && b != NULL) {
        if(a->data == b->data) {
            Push((&tail->next),a->data);
            tail = tail->next;
            a = a->next;
            b = b->next;
        }
        else if(a->data < b->data) {
            a = a->next;
        }
        else {
            b = b->next;
        }
    }

    return dummy.next;
}

Reverse

链表的倒置

这个是非递归版本

void Reverse(struct node** headRef) {
    struct node* result = NULL;
    struct node* current = *headRef;
    struct node* next;

    while(current != NULL) {
        next = current->next;

        current->next = result;
        result = current;

        current = next;
    }

    *headRef = result;
}

下面这个是递归版本

void RecursiveReverse(struct node** headRef) {
    struct node* first;
    struct node* rest;

    if(*headRef == NULL) return;

    first = *headRef;
    rest = first->next;

    if(rest == NULL) return;

    RecursiveReverse(&rest);

    first->next->next = first;
    first->next = NULL;

    *headRef = rest;
}

倒置的操作比较复杂，需要画图去跟指针的变化

当然，我觉得最好的方法还是用gdb单步调试，跟踪指针变化