【数据结构】：链表的核心实现与运行解析

news/2025/11/11 22:55:16/文章来源:https://www.cnblogs.com/gccbuaa/p/19211850

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博主名称：月夜的风吹雨

个人专栏: 《C语言》《基础数据结构》

⛺️任何一个伟大的思想，都有一个微不足道的开始!

引言

单链表是一种物理存储非连续、逻辑存储连续的数据结构，其数据元素通过节点间的指针链接维持逻辑顺序。相较于顺序表，单链表无需预先分配固定内存，插入、删除操作更灵活，是哈希桶、图的邻接表等复杂数据结构的基础组件。本文基于 C 语言，系统解析单链表的初始化、节点申请、插入、删除、查找及销毁等核心操作，重点阐述每个函数的设计思路与实现逻辑。

文章目录

一、单链表的基础定义与核心概念

单链表的基本构成单元是 “节点”，每个节点包含 “数据域”（存储数据）与 “指针域”（存储下一个节点的地址）。为适配不同数据类型，先通过typedef定义通用数据类型SLTDataType，再定义节点结构体：

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typedef int SLTDataType; // 可根据需求修改为char、float等
typedef struct SListNode
{
SLTDataType data;       // 节点数据域
struct SListNode* next; // 指针域：指向 next 节点
} SLTNode;

后续所有操作均围绕该节点结构展开，核心设计原则是 “避免野指针”“不破坏链表逻辑连续性”，且根据是否修改头指针，决定使用一级指针或二级指针传参（修改头指针需传二级指针，否则传一级指针）。

二、单链表的核心操作实现

2.1 链表初始化（SLTInit）

初始化的目标是将链表的头指针置为NULL，表示空链表。

注意：头指针是指向结构体的指针，它并非首个结构体本身，而是指向第一个结构体节点的指针。

void SLTInit(SLTNode** pphead)
{
assert(pphead); // 确保传入的指针有效
*pphead = NULL; // 头指针置空，链表为空
}

2.2 节点申请（SLTBuyNode）

单链表插入操作需先申请新节点，该函数统一封装节点申请逻辑，避免重复代码。

  • 节点需从堆区申请（malloc），申请可能失败（如内存不足），需检查返回值；申请成功后，需初始化数据域（赋值x）与指针域（置NULL，避免随机指向），最后返回新节点地址。
  • 调用malloc申请节点大小的内存，perror处理申请失败场景并退出程序；成功则赋值data与next，返回新节点指针。
SLTNode* SLTBuyNode(SLTDataType x)
{
SLTNode* newnode = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
if (newnode == NULL)
{
// 检查内存申请结果
perror("malloc fail:");
exit(1); // 异常退出，避免后续野指针操作
}
newnode->data = x;  // 初始化数据域
newnode->next = NULL; // 初始化指针域，新节点默认无后续节点
return newnode;
}

2.3 尾部插入（SLTPushBack）

尾部插入是在链表末尾添加新节点，需区分 “空链表” 与 “非空链表” 两种场景。

  • 空链表时，头指针为NULL，直接让头指针指向新节点即可；非空链表时，需先遍历找到最后一个节点（next为NULL的节点），再将其next指向新节点。由于空链表场景需修改头指针，需传二级指针pphead。
  • 先申请新节点，断言pphead有效；若链表为空（*pphead == NULL），头指针指向新节点；否则用临时变量ptail遍历找到尾节点，将ptail->next指向新节点。
void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{
assert(pphead);
SLTNode* newnode = SLTBuyNode(x); // 申请新节点
if (*pphead == NULL)
{
// 空链表：头指针直接指向新节点
*pphead = newnode;
}
else
{
// 非空链表：找尾节点
SLTNode* ptail = *pphead; // 临时指针遍历，不修改头指针
while (ptail->next)
{
// 尾节点的next为NULL，循环终止时ptail是尾节点
ptail = ptail->next;
}
ptail->next = newnode; // 尾节点连接新节点
}
}

2.4 头部插入（SLTPushFront）

头部插入是在链表开头添加新节点，新节点成为新的头节点。

  • 头部插入需让新节点的next指向原头节点，再让头指针指向新节点 —— 若先修改头指针，会丢失原链表地址。由于需修改头指针，需传二级指针pphead。
  • 申请新节点，新节点的next指向原头节点（*pphead），再将头指针更新为新节点，完成头部插入。
void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{
assert(pphead);
SLTNode* newnode = SLTBuyNode(x);
newnode->next = *pphead; // 新节点连接原头节点
*pphead = newnode;       // 新节点成为新头节点
}

2.5 尾部删除（SLTPopBack）

尾部删除是移除链表最后一个节点，需区分 “仅一个节点” 与 “多个节点” 两种场景。

  • 删除前需确保链表非空（断言*pphead != NULL）；仅一个节点时，删除后需将头指针置NULL（否则头指针指向已释放的节点，成为野指针）；多个节点时，需找到倒数第二个节点，将其next置NULL，再释放最后一个节点。因需修改头指针（仅一个节点场景），传二级指针pphead。
  • 断言链表非空，若仅一个节点，直接释放头节点并置NULL；否则用prev和ptail两个指针遍历，prev跟随ptail，找到倒数第二个节点后，释放ptail（尾节点），prev->next置NULL。
void SLTPopBack(SLTNode** pphead)
{
assert(pphead && *pphead); // 断言链表非空
if ((*pphead)->next == NULL)
{
// 仅一个节点：删除后链表为空
free(*pphead);
*pphead = NULL;
}
else
{
// 多个节点：找倒数第二个节点
SLTNode* ptail = *pphead;
SLTNode* prev = ptail;
while (ptail->next)
{
// 循环终止时ptail是尾节点，prev是倒数第二个
prev = ptail;
ptail = ptail->next;
}
free(ptail);        // 释放尾节点
ptail = NULL;       // 避免野指针
prev->next = NULL;  // 倒数第二个节点成为新尾节点
}
}

2.6 头部删除（SLTPopFront）

头部删除是移除链表第一个节点，让头指针指向原第二个节点。

  • 删除前需确保链表非空，先保存原头节点的next（避免释放后丢失后续链表），再释放原头节点，最后让头指针指向保存的next。因需修改头指针，传二级指针pphead。
  • 断言链表非空，保存原头节点的next，释放原头节点，头指针更新为保存的next。
void SLTPopFront(SLTNode** pphead)
{
assert(pphead && *pphead); // 断言链表非空
SLTNode* next = (*pphead)->next; // 保存原头节点的next
free(*pphead);                  // 释放原头节点
*pphead = next;                 // 新头节点为原第二个节点
}

2.7 指定位置前插入（SLTInsert）

在给定节点pos前插入新节点，需区分pos是否为头节点。

  • 若pos是头节点，插入逻辑与头部插入一致，可直接调用SLTPushFront(头插）；若pos非头节点，需找到pos的前一个节点prev，让prev->next指向新节点，新节点的next指向pos。因可能修改头指针（pos为头节点场景），传二级指针pphead。
  • 断言pos有效，判断pos是否为头节点，是则头插；否则遍历找prev（prev->next == pos），连接新节点与pos、prev。

在插入之前，我们需要先定位目标位置指针pos。由于pos存储的是地址，而我们无法直接输入地址进行查找，因此在实际插入操作前，还需要一个专门的查找步骤来获取目标位置的地址。

//查找
SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SLTDataType x)  //仅查找不改第一节点
{
assert(phead);
SLTNode* pur = phead;
while (pur)
{
if (pur->data == x) return pur;
pur = pur->next;
}
return NULL;
}
void SLTInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType x)
{
assert(pphead && *pphead && pos); // 断言参数有效
if (pos == *pphead)
{
// pos是头节点：调用头插
SLTPushFront(pphead, x);
}
else
{
// pos非头节点：找pos的前一个节点
SLTNode* newnode = SLTBuyNode(x);
SLTNode* prev = *pphead;
while (prev->next != pos)
{
// 循环找prev
prev = prev->next;
}
newnode->next = pos;  // 新节点连接pos
prev->next = newnode;  // prev连接新节点
}
}

2.8 指定位置后插入（SLTInsertAfter）

在给定节点pos后插入新节点，无需修改头指针，仅需操作pos的next。

  • pos后插入无需头节点参与，也不修改头指针，故传一级指针pos即可。需先让新节点的next指向pos的next（避免丢失pos后的节点），再让pos的next指向新节点，确保顺序正确。
  • 断言pos有效，申请新节点，新节点next指向pos->next，pos->next指向新节点。

这个与上面的在指定位置之前插入一样，要在插入之前找到节点位置

void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SLTDataType x)
{
assert(pos); // 断言pos有效
SLTNode* newnode = SLTBuyNode(x);
newnode->next = pos->next; // 新节点连接pos的原next
pos->next = newnode;       // pos连接新节点
}

2.9 删除指定节点（SLTErase）

删除给定节点pos，需区分pos是否为头节点。

  • 若pos是头节点，删除逻辑与头部删除一致，调用SLTPopFront；若pos非头节点，需找到pos的前一个节点prev，让prev->next指向pos->next，再释放pos。因可能修改头指针，传二级指针pphead。
  • 断言参数有效，判断pos是否为头节点，是则头删；否则找prev，修改prev->next，释放pos并置NULL。
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{
assert(pphead && *pphead && pos); // 断言参数有效
if (pos == *pphead)
{
// pos是头节点：调用头删
SLTPopFront(pphead);
}
else
{
// pos非头节点：找prev
SLTNode* prev = *pphead;
while (prev->next != pos)
{
prev = prev->next;
}
prev->next = pos->next; // prev连接pos的next
free(pos);              // 释放pos
pos = NULL;             // 避免野指针
}
}

2.10 删除指定节点后的节点（SLTEraseAfter）

删除pos后的节点，无需修改头指针，仅需操作pos的next。

  • 需先确保pos后有节点（断言pos->next != NULL），保存pos->next（待删除节点），让pos->next指向pos->next->next，再释放保存的节点，避免丢失后续链表。
  • 断言pos与pos->next有效，保存待删除节点，修改pos->next，释放待删除节点并置NULL。
void SLTEraseAfter(SLTNode* pos) {
assert(pos && pos->next); // 断言pos有效且后有节点
SLTNode* next = pos->next; // 保存待删除节点
pos->next = pos->next->next; // pos连接待删除节点的next
free(next);                  // 释放待删除节点
next = NULL;                 // 避免野指针
}

2.11 链表打印（SLTPrint）

遍历链表并打印所有节点数据，验证链表逻辑正确性，不修改链表内容。

  • 打印无需修改头指针，故传一级指针phead；用临时变量pcur遍历（避免修改头指针），循环打印pcur->data，直至pcur为NULL（尾节点后），最后打印NULL标识链表结束。
  • pcur从phead开始遍历，循环打印数据，pcur更新为pcur->next，结束时打印NULL。
void SLTPrint(SLTNode* phead)
{
SLTNode* pcur = phead; // 临时指针遍历
while (pcur)
{
printf("%d -> ", pcur->data);
pcur = pcur->next;
}
printf("NULL\n"); // 标识链表结束
}

2.12 链表销毁（SListDesTroy）

释放链表所有节点的内存，避免内存泄漏，最后将头指针置NULL。

  • 销毁需释放每个节点，可复用头部删除逻辑（每次删头节点，直至链表为空），因需修改头指针，传二级指针pphead。
  • 循环调用SLTPopFront删除头节点，直至*pphead为NULL，所有节点释放完毕。
void SListDesTroy(SLTNode** pphead)
{
assert(pphead && *pphead); // 断言链表非空
while (*pphead)
{
// 循环删头节点，直至链表为空
SLTPopFront(pphead);
}
}

三、总结

单链表的核心操作围绕 “指针管理” 与 “边界场景处理” 展开，关键结论如下：

  1. 传参原则：需修改头指针（初始化、头插、头删、尾删、指定位置前插入、销毁）传二级指针，否则传一级指针；
  2. 边界场景：空链表、仅一个节点、指定位置为头 / 尾节点，需单独处理，避免野指针与链表断裂；
  3. 内存管理：节点从堆区申请后，必须在删除、销毁时free，且free后需置NULL，避免野指针。

掌握这些操作后，可基于单链表实现通讯录、栈、队列等更复杂的功能，也为后续学习双向链表、循环链表奠定基础。

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