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数据结构——链表

news 来源：原创 2025/5/22 13:10:02

引言

链表（Linked List）是计算机科学中最基础且灵活的数据结构之一。与数组的连续内存分配不同，链表通过指针将零散的内存块串联起来，允许动态调整数据规模，避免内存浪费。链表广泛应用于操作系统内核、数据库索引、动态内存管理等领域。本文将深入解析链表的核心概念、实现方式、典型应用场景及常见变种，帮助你全面掌握这一数据结构。

一、链表的基本概念

链表由一系列**节点（Node）**组成，每个节点包含两部分：

数据域：存储实际数据（如整数、字符串、对象等）。
指针域：指向下一个节点的地址（在双向链表中还可能包含指向前一个节点的指针）。

链表的操作特性：

动态内存分配：无需预先分配固定内存空间。
高效插入/删除：时间复杂度为 O(1)（已知插入位置时）。
低效随机访问：查找第 i 个元素需要从头遍历，时间复杂度为 O(n)。

二、链表的分类与实现

链表根据指针域的复杂度分为三种主要类型，下面分别通过 C语言代码 实现并分析其特点。

1. 单向链表（Singly Linked List）

每个节点仅包含指向下一个节点的指针，适合单向遍历场景。

代码实现

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>// 定义链表节点结构体
typedef struct Node {int data;           // 数据域struct Node *next;  // 指针域（指向下一个节点）
} Node;// 创建新节点
Node* createNode(int value) {Node* newNode = (Node*)malloc(sizeof(Node));if (newNode == NULL) {printf("内存分配失败！\n");exit(EXIT_FAILURE);}newNode->data = value;newNode->next = NULL;return newNode;
}// 在链表尾部插入节点
void insertAtTail(Node **head, int value) {Node *newNode = createNode(value);if (*head == NULL) {*head = newNode;return;}Node *current = *head;while (current->next != NULL) {current = current->next;}current->next = newNode;
}// 删除指定值的节点
void deleteNode(Node **head, int value) {if (*head == NULL) return;Node *current = *head;Node *prev = NULL;// 处理头节点为待删除节点的情况if (current->data == value) {*head = current->next;free(current);return;}// 遍历查找待删除节点while (current != NULL && current->data != value) {prev = current;current = current->next;}if (current == NULL) {printf("未找到值为 %d 的节点\n", value);return;}prev->next = current->next;free(current);
}// 打印链表
void printList(Node *head) {Node *current = head;while (current != NULL) {printf("%d -> ", current->data);current = current->next;}printf("NULL\n");
}int main() {Node *head = NULL;  // 链表头指针insertAtTail(&head, 10);insertAtTail(&head, 20);insertAtTail(&head, 30);printList(head);    // 输出: 10 -> 20 -> 30 -> NULLdeleteNode(&head, 20);printList(head);    // 输出: 10 -> 30 -> NULLreturn 0;
}

特点

优点：内存利用率高，插入/删除速度快。
缺点：无法逆向遍历，删除节点需记录前驱节点。

2. 双向链表（Doubly Linked List）

每个节点包含两个指针：prev（指向前驱节点）和 next（指向后继节点），支持双向遍历。

代码实现（关键函数）

typedef struct DNode {int data;struct DNode *prev;struct DNode *next;
} DNode;// 在双向链表头部插入节点
void insertAtHead(DNode **head, int value) {DNode *newNode = (DNode*)malloc(sizeof(DNode));newNode->data = value;newNode->prev = NULL;newNode->next = *head;if (*head != NULL) {(*head)->prev = newNode;}*head = newNode;
}// 删除指定值的节点（双向链表版本）
void deleteDNode(DNode **head, int value) {DNode *current = *head;while (current != NULL && current->data != value) {current = current->next;}if (current == NULL) return;if (current->prev != NULL) {current->prev->next = current->next;} else {*head = current->next;}if (current->next != NULL) {current->next->prev = current->prev;}free(current);
}

特点

优点：支持双向遍历，删除操作更高效。
缺点：内存占用稍高（每个节点多一个指针）。

3. 循环链表（Circular Linked List）

尾节点的指针指向头节点，形成闭环。适合轮询调度等场景。

代码实现（循环链表初始化）

void insertAtTailCircular(Node **head, int value) {Node *newNode = createNode(value);if (*head == NULL) {*head = newNode;newNode->next = newNode;  // 指向自身形成环return;}Node *current = *head;while (current->next != *head) {current = current->next;}current->next = newNode;newNode->next = *head;
}

三、链表的应用场景

实现动态数据结构：如队列、栈、哈希表链地址法。
内存管理：操作系统使用链表管理空闲内存块。
文件系统：FAT文件系统用链表记录文件簇的分配。
LRU缓存淘汰算法：双向链表快速移动热点数据。

四、链表的常见问题与优化

内存泄漏
- 务必在删除节点后调用 free() 释放内存。
- 使用工具（如Valgrind）检测内存泄漏。
边界条件处理
- 空链表插入/删除操作。
- 头节点和尾节点的特殊处理。
性能优化
- 引入尾指针提升尾部插入效率（时间复杂度从 O(n) 降至 O(1)）。
- 使用带头节点的链表简化代码逻辑（无需单独处理头指针变更）。

五、总结

链表通过指针的灵活链接，完美解决了数组的固定大小限制问题，是构建复杂动态系统的基石。掌握单链表、双向链表和循环链表的实现与适用场景，能够帮助你在实际开发中高效处理动态数据。尽管链表的随机访问效率较低，但其在插入、删除操作上的优势使其在特定场景下不可替代。

参考资料

《算法导论》—— Thomas H. Cormen
《数据结构与算法分析》—— Mark Allen Weiss
GeeksforGeeks: Linked List Data Structure

如果对链表的具体操作或应用仍有疑问，欢迎在评论区留言交流！

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