【数据结构】带头双向循环链表

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文章目录

😎前言
带头双向循环链表的初始化
创造一个哨兵位头节点
得到节点
链表清理
链表销毁
打印链表
链表判空
链表尾插
链表尾删
链表头插
链表头删
链表查找
链表修改
任意插入
任意删除
整体代码
😳写在最后

😎前言

前面学习了单链表的结构，并且做了些许单链表的OJ练习，相信大家已经对单链表的结构了如指掌。因此，本章带来了与单链表同源的但拥有不同的结构的链表 — 带头双向循环链表供大家学习。
可能大家听到带头双向循环链表这个名字，就会认为该结构很复杂（的确很复杂，是链表当中结构最复杂的），肯定比单链表要难许多，说实在的，如果没有前面单链表的铺垫，直接上这个结构，那肯定挺难的。但现在我们有了单链表的基础，并且做了挺多单链表的题了，也就不用怕了。
实际上，带头双向循环链表只是看起来难，听起来难，但它实现起来，比单链表简单多了。并且许多细节地方都不需要那么的繁琐。
注意：下面所说的头节点都是指那个哨兵位的头节点。

带头双向循环链表的初始化

既然是双向，也就是即指向前也指向后，因此每一个节点不光要存储一个数据，还要两个结构体指针，一个指针prev指向前，一个指针next指向后，也就是next指针指向下一个节点，prev指针指向前一个节点。按照这个形式由一个一个的节点组成的链表，就是双向的，这剔除了单链表的单向性。由此可知遍历这个双向链表不仅可以往后遍历，还可以往前遍历，这是不是方便了许多呢？
那循环在这是什么意思？循环就是链表的第一个节点的prev指向链表的最后一个节点，链表的最后一个节点的next指向链表的第一个节点，例如：

不带哨兵位的头节点的双向循环链表：

但是这里，我们讨论带头的双向循环链表。
为啥要带头呢？很简单，便于下面的一系列操作。想一下，如果没有哨兵位的头节点进行增删查改，遇到头删或者头插的话，此时需要更新一下头节点，既然要更新一下头节点，那就与单链表章节一样，需要用到二级指针，或者带返回值，这就很麻烦了。但如果带哨兵位头节点的话，二级指针和返回值都不需要用到，并且头删头插尾插尾删都特别的方便，它的优势处，下面会一一体现。

带头双向循环链表：

当然，有了前面的数据结构的学习，毫无疑问，这里也是需要三个文件来实现的，这里就不多说了，分别是DList.h，DList.c，test.c
有了上面的介绍，我们首先包含需要用到的头文件：

#include <stdio.h>
// assert断言
#include <assert.h>
// 动态内存函数所需
#include <stdlib.h>
// 判空所需 bool 类型
#include <stdbool.h>

然后将节点的结构创建出来（两个指针一个数据）：

// 存储的数据的类型
typedef int LTDataType;
typedef struct ListNode
{
	// 存储数据
	LTDataType _data;
	// 指向下一个节点的指针
	struct ListNode* _next;
	// 指向前一个节点的指针
	struct ListNode* _prev;
}ListNode;  // 重命名是为了方便

接着就是对各个函数接口一一实现了。各个函数接口的声明：（由于前面的与函数接口声明都在.h文件，并且该文件只有这些，这里就直接放.h文件了）：

#include <stdio.h>
// assert断言
#include <assert.h>
// 动态内存函数所需
#include <stdlib.h>
// 判空所需 bool 类型
#include <stdbool.h>

// 带头+双向+循环链表增删查改实现
// 存储的数据的类型
typedef int LTDataType;
typedef struct ListNode
{
	// 存储数据
	LTDataType _data;
	// 指向下一个节点的指针
	struct ListNode* _next;
	// 指向前一个节点的指针
	struct ListNode* _prev;
}ListNode;  // 重命名是为了方便

// 创建返回链表的头结点.
ListNode* ListCreate();
// 得到一个结点
ListNode* BuyListNode(LTDataType x);

// 双向链表清理
void ListClear(ListNode* phead);
// 双向链表销毁
void ListDestory(ListNode* phead);

// 双向链表打印
void ListPrint(ListNode* phead);

// 判空
bool ListEmpty(ListNode* phead);

// 双向链表尾插
void ListPushBack(ListNode* phead, LTDataType x);
// 双向链表尾删
void ListPopBack(ListNode* phead);
// 双向链表头插
void ListPushFront(ListNode* phead, LTDataType x);
// 双向链表头删
void ListPopFront(ListNode* phead);

// 双向链表在pos的前面进行插入
void ListInsert(ListNode* pos, LTDataType x);
// 双向链表删除pos位置的节点
void ListErase(ListNode* pos);

// 双向链表查找
ListNode* ListFind(ListNode* phead, LTDataType x);
// 修改某一节点的数据
void ListModify(ListNode* pos, LTDataType x);

创造一个哨兵位头节点

我们首先得创造一个带哨兵位的头节点,这样才能进行后续的操作。
当然，我们每次创造的一个节点都是使用malloc向内存申请一段空间来存储。
这里也是一样，我们向内存申请一个节点的空间后，将这个节点的两个指针都指向自己，并且里面的数据任意给（这里不做要求，也可以不给，它默认随机值，不过最好给-1），这样就得到一个哨兵位的头节点。有了该函数的功能，我们每次测试的时候，开始都要有这一步操作：

ListNode* plist = ListCreate();  // 将plist指向那个哨兵位头节点

下面是相关接口函数功能实现：

// 创建返回链表的头结点.
ListNode* ListCreate()
{
	// BuyListNode(),该函数是获取一个节点，下面有介绍，大概理解这样操作就欧克啦
	ListNode* head = BuyListNode(-1);
	return head;
}

得到节点

该函数在获取头节点函数和所有插入函数中都需要用到，因此这里把它抽离出来单独形成一个接口，以此来提高效率。
得到一个节点，那当然是在内存中申请一段空间，这个空间就作为新的那个节点的空间。
每次得到的这个节点，让它的两个指针都先指向自己，然后数据存放自己给出的值，之后将这个节点的地址返回即可，因为该节点的空间是在堆上的，函数栈帧销毁不会影响这段空间。

下面是相关接口函数功能实现：

// 得到一个结点
ListNode* BuyListNode(LTDataType x)
{
	// 向内存中申请一个节点的空间
	ListNode* newnode = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
	// 判断一下是否申请失败
	assert(newnode);
	// 将next和prev都指向自己
	newnode->_next = newnode;
	newnode->_prev = newnode;
	// 存放自己给的数据
	newnode->_data = x;
	
	// 返回这个节点的地址
	return newnode;
}

链表清理

当我们创建了一个带头双向循环链表后，不想要了但又还想继续操作怎么办👻？当然是将每个节点释放（free）。
注意：清理是将每个有效的节点删除（释放），不会干掉头节点，因此，我们从头节点的下一个节点开始，向右遍历链表，一边遍历一边删除（所以这里需要创建一个节点指针来存放下一个节点的地址），直到最后遍历到头节点的时候结束操作。

下面是相关接口函数功能实现：

void ListClear(ListNode* phead)
{
	// 避免传NULL的情况，phead是NULL就不能操作了
	assert(phead);
	
	// 从phead的下一个节点开始操作
	ListNode* cur = phead->_next;
	while (cur != phead)
	{
		// 存放当前节点的下一个节点的地址
		ListNode* next = cur->_next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
}

链表销毁

我们在一系列操作后，一定要记得链表销毁，不然会出现内存泄漏的情况，尽管现在的编译器大部分都很明智了，会自动把申请的空间返还给操作系统。但是我们要养成这样一个好习惯，因此这里将该函数接口的实现放在前面。
销毁与清理可就不一样了，销毁是要将所有申请的空间释放，因此也就包括那个哨兵位的头节点。
前面已经实现了清理的函数，所以这里直接考虑复用清理的函数，最后再将头节点释放即可。

下面是相关接口函数功能实现：

// 双向链表销毁
void ListDestory(ListNode* phead)
{
	// 判断phead是否是NULL
	assert(phead);
	// 复用
	ListClear(phead);
	// 最后释放头节点
	free(phead);
}

打印链表

打印功能可以说必不可少，它在你进行操作的时候，可以直观的展现你进行了那些操作。
当然打印不需要打印头节点，你可以把头节点当作一个虚的。
因此这里需要从头节点的下一个节点开始依次打印，直到遍历链表遍历到头节点时结束打印。

下面是相关接口函数功能实现：

// 双向链表打印
void ListPrint(ListNode* phead)
{
	assert(phead);
	
	// 从头节点的下一个开始
	ListNode* cur = phead->_next;
	// 遍历到头结束
	while (cur != phead)
	{
		// 打印当前节点的数据
		printf("%d ", cur->_data);
		// 寻找下一个节点
		cur = cur->_next;
	}
	printf("\n");
}

链表判空

这里还提供一个判空函数，这个判空是判断除头节点以外还有没有其它节点，如果没有，说明空，返回true；如果有，说明不空，返回false。
如何来判？在前面初始化创建一个头节点时，将该节点的两个指针分别指向了自己，因此，当链表为空，没有其它节点的时候我们直接判断头节点的next或者prev指针是否指向自己就好，如果是指向自己，说明为空，反之，不为空。
当在删除链表的节点的时候，判空会起到有效的作用。

下面是相关接口函数功能实现：

// 判空
bool ListEmpty(ListNode* phead)
{
	assert(phead);
	// 判断头节点的next是否指向自己，判断prev也是可行的
	return phead->_next == phead;
}

链表尾插

链表的尾插，就是在链表的最后一个节点的后面连接一个节点，因此我们先要得到一个节点，然后找到链表的最后一个节点，再进行连接。
由于该链表是带头双向循环链表，既然是循环，要找到最后一个节点，那可是易如反掌。它不就是头节点的prev嘛。
连接过程也是简简单单：

如果此时链表中没有有效的节点，那么此时直接得到一个节点与头节点连接即可，不需要考虑单链表章节是否要更新头指针的情况，这也体现了带头的优处。

下面是相关接口函数功能实现：

// 双向链表尾插
void ListPushBack(ListNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);

	// 得到一个节点
	ListNode* newnode = BuyListNode(x);
	// 存储最后一个节点的指针
	ListNode* cur = phead->_prev;
	// 连接
	cur->_next = newnode;
	newnode->_prev = cur;
	newnode->_next = phead;
	phead->_prev = newnode;
}

链表尾删

尾删就是删除最后一个节点，所以我们先要找到最后一个节点的前一个节点（phead->prev->prev），然后将最后一个节点删除（释放），最后将最后一个节点的前一个节点与头节点连接即可。
如果此时只有一个节点，也是一样的删，没有其它的麻烦，多想想就明白了（自行体会）。
如果此时没有节点，这是判空的作用就来了，没有节点当然就是不给删咯，直接assert断言暴打。

下面是相关接口函数功能实现：

// 双向链表尾删
void ListPopBack(ListNode* phead)
{
	// 如果为空返回真 ，！一下为假
	assert(phead && !ListEmpty(phead));
	
	// 要删除的尾节点的指针
	ListNode* cur = phead->_prev;
	// 尾节点的前一个结点
	ListNode* prev = cur->_prev;
	free(cur);
	// 连接
	prev->_next = phead;
	phead->_prev = prev;
}

链表头插

头插就是在头节点的后面插入，得到一个节点后，只管连接即可，轻轻松松。
当然这里要注意的是，如果不存放当前头节点的下一个节点的地址，那么需要先将新的节点与头节点的下一个节点连接，然后才与头节点连接，因为先与头节点连接的话，就找不到下一个节点了，此时就会连接中断。
如果存放当前头节点的下一个节点的地址的话，是可以随意连接的，没有主次。

下面是相关接口函数功能实现：

// 双向链表头插
void ListPushFront(ListNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);
	
	// 得到一个节点
	ListNode* newnode = BuyListNode(x);
	// 这里是存放下一个节点的地址
	ListNode* cur = phead->_next;
	// 连接
	newnode->_next = cur;
	cur->_prev = newnode;
	phead->_next = newnode;
	newnode->_prev = phead;
}

链表头删

链表头删是删除头节点的下一个节点，为了删除之后，能够正常连接，所以需要存放此时头节点的下一个节点的下一个节点的地址，然后将头节点的下一个节点删除，最后再将头节点与存放的那个地址指向的节点连接即可。
注意，既然是删除，那就要复用判空函数判断链表是否为空，不然没有节点了还去删除，就会出问题。

下面是相关接口函数功能实现：

// 双向链表头删
void ListPopFront(ListNode* phead)
{
	// 判空
	assert(phead && !ListEmpty(phead));

	// 存放当前链表头节点的下一个节点的地址
	ListNode* cur = phead->_next;
	// 存放当前链表头节点的下一个节点的下一个节点的地址
	ListNode* next = cur->_next;
	// 删除（释放）
	free(cur);
	// 连接
	phead->_next = next;
	next->_prev = phead;
}

链表查找

这里的查找是你给定一个数据，然后在链表中寻找data与这个数据相等的节点，最终返回这个节点的地址。
如果没有找到，就返回NULL。
如何查找？很简单，遍历一遍链表即可。
如果链表为空，也就是只有一个头节点，这时phead的next就是自己，判断条件为假，返回NULL。

下面是相关接口函数功能实现：

// 双向链表查找
ListNode* ListFind(ListNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);

	// 从头节点的下一个位置开始查找
	ListNode* cur = phead->_next;
	// 直到遍历到头节点结束
	while (cur != phead)
	{
		// 找到相等的直接返回当前的节点
		if (cur->_data == x) return cur;
		cur = cur->_next;
	}
	
	// 如果循环内没有相等的数据对应，则返回空
	return NULL;
}

链表修改

链表的修改就是将链表中的某一个节点的数据修改成你想要的值。
这里通过传递某一个节点的地址来进行修改，言外之意就是可以先使用查找函数查找到你想要修改的那个节点，然后将查找函数的返回值作为要修改的那个节点的参数，最后进行修改即可。
如果此时链表为空，在查找函数就直接会返回NULL，因此这里需要断言一下pos的有效性。

下面是相关接口函数功能实现：

// 修改某一节点的数据
void ListModify(ListNode* pos, LTDataType x)
{
	// 判断pos的有效性
	assert(pos);
	
	// 直接修改数据即可
	pos->_data = x;
}

任意插入

这里的任意插入，是将你要插入的节点插入在你想要插入的位置的前面。
同样的，这里需要传递一个节点的指针（pos）代表你要插入的位置，所以这里搭配查找函数会更好。
前面学习了头插尾插，相信大家对插入的连接已经了如指掌了，任意位置插入也不难。
既然是在想插入的位置的前面插入，那么这里就需要存放一下该位置的前一个节点的地址，然后进行连接即可。

下面是相关接口函数功能实现：

// 双向链表在pos的前面进行插入
void ListInsert(ListNode* pos, LTDataType x)
{
	// 判断pos是否有效
	assert(pos);
	
	// 得到一个节点
	ListNode* newnode = BuyListNode(x);
	// 存放pos的前一个节点
	ListNode* prev = pos->_prev;
	// 连接
	newnode->_next = pos;
	pos->_prev = newnode;
	prev->_next = newnode;
	newnode->_prev = prev;
}

有了任意插入的函数，前面的头插尾插都可以改为复用噢！（在后面整体代码中展示）

任意删除

任意删除，是删除pos位置，这个pos就是你指定要删除的那个节点的地址。
既然是删除pos位置，那么就需要存放一下pos的前一个节点的地址和pos的下一个节点的地址，以便于连接。最后将pos位置的节点释放即可。
任意删除函数实际上是不需要判空的，直接判断pos的有效性就可以了，加入pos为NULL，就说明要么没找到你要删的那个节点，要么链表为空，所以空的情况已经包含在内了。

下面是相关接口函数功能实现：

// 双向链表删除pos位置的节点
void ListErase(ListNode* pos)
{
	// 判断pos的有效性
	assert(pos);

	// 存放pos的下一个节点的地址	
	ListNode* next = pos->_next;
	// 存放pos的前一个节点的地址
	ListNode* prev = pos->_prev;
	// 删除（释放）pos
	free(pos);
	// 连接
	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;
}

有了任意删除函数接口，前面的头删尾删就可以复用该函数接口了。

整体代码

DList.h:

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>

// 带头+双向+循环链表增删查改实现
typedef int LTDataType;
typedef struct ListNode
{
	LTDataType _data;
	struct ListNode* _next;
	struct ListNode* _prev;
}ListNode;

// 创建返回链表的头结点.
ListNode* ListCreate();
// 得到一个结点
ListNode* BuyListNode(LTDataType x);

// 双向链表清理
void ListClear(ListNode* phead);

// 双向链表销毁
void ListDestory(ListNode* phead);

// 双向链表打印
void ListPrint(ListNode* phead);

// 判空
bool ListEmpty(ListNode* phead);

// 双向链表尾插
void ListPushBack(ListNode* phead, LTDataType x);
// 双向链表尾删
void ListPopBack(ListNode* phead);
// 双向链表头插
void ListPushFront(ListNode* phead, LTDataType x);
// 双向链表头删
void ListPopFront(ListNode* phead);

// 双向链表查找
ListNode* ListFind(ListNode* phead, LTDataType x);
// 修改某一节点的数据
void ListModify(ListNode* pos, LTDataType x);

// 双向链表在pos的前面进行插入
void ListInsert(ListNode* pos, LTDataType x);
// 双向链表删除pos位置的节点
void ListErase(ListNode* pos);

DList.c:

#include "DList.h"

// 创建返回链表的头结点.
ListNode* ListCreate()
{
	ListNode* head = BuyListNode(-1);
	return head;
}
// 得到一个结点
ListNode* BuyListNode(LTDataType x)
{
	ListNode* newnode = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
	assert(newnode);
	newnode->_next = newnode;
	newnode->_prev = newnode;
	newnode->_data = x;

	return newnode;
}

// 双链表清理
void ListClear(ListNode* phead)
{
	// 避免传NULL的情况，phead是NULL就不能操作了
	assert(phead);
	
	// 从phead的下一个节点开始操作
	ListNode* cur = phead->_next;
	while (cur != phead)
	{
		// 存放当前节点的下一个节点的地址
		ListNode* next = cur->_next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
}

// 双向链表销毁
void ListDestory(ListNode* phead)
{
	// 判断phead是否是NULL
	assert(phead);
	// 复用
	ListClear(phead);
	// 最后释放头节点
	free(phead);
}

// 双向链表打印
void ListPrint(ListNode* phead)
{
	assert(phead);

	ListNode* cur = phead->_next;
	while (cur != phead)
	{
		printf("%d ", cur->_data);
		cur = cur->_next;
	}
	printf("\n");
}

// 判空
bool ListEmpty(ListNode* phead)
{
	assert(phead);
	return phead->_next == phead;
}

// 双向链表尾插
void ListPushBack(ListNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);

	//ListNode* newnode = BuyListNode(x);
	//ListNode* cur = phead->_prev;
	//cur->_next = newnode;
	//newnode->_prev = cur;
	//newnode->_next = phead;
	//phead->_prev = newnode;

	insert(phead, x);
}
// 双向链表尾删
void ListPopBack(ListNode* phead)
{
	assert(phead && !ListEmpty(phead));

	//ListNode* cur = phead->_prev;
	//ListNode* prev = cur->_prev;
	//free(cur);
	//prev->_next = phead;
	//phead->_prev = prev;

	erase(phead->prev);
}
// 双向链表头插
void ListPushFront(ListNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);
	
	//ListNode* newnode = BuyListNode(x);
	//ListNode* cur = phead->_next;
	//newnode->_next = cur;
	//cur->_prev = newnode;
	//phead->_next = newnode;
	//newnode->_prev = phead;

	insert(phead->next, x);
}
// 双向链表头删
void ListPopFront(ListNode* phead)
{
	assert(!ListEmpty(phead));

	//ListNode* cur = phead->_next;
	//ListNode* next = cur->_next;
	//free(cur);
	//phead->_next = next;
	//next->_prev = phead;
	
	erase(phead->next);
}

// 双向链表查找
ListNode* ListFind(ListNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);

	ListNode* cur = phead->_next;
	while (cur != phead)
	{
		if (cur->_data == x) return cur;
		cur = cur->_next;
	}

	return NULL;
}
// 修改某一节点的数据
void ListModify(ListNode* pos, LTDataType x)
{
	assert(pos);

	pos->_data = x;
}

// 双向链表在pos的前面进行插入
void ListInsert(ListNode* pos, LTDataType x)
{
	assert(pos);

	ListNode* newnode = BuyListNode(x);
	ListNode* prev = pos->_prev;
	newnode->_next = pos;
	pos->_prev = newnode;
	prev->_next = newnode;
	newnode->_prev = prev;
}
// 双向链表删除pos位置的节点
void ListErase(ListNode* pos)
{
	assert(pos);

	ListNode* next = pos->_next;
	ListNode* prev = pos->_prev;
	free(pos);
	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;
}

test.h:

#include "DList.h"

void test1()
{
	ListNode* plist = ListCreate();
	ListPushBack(plist, 1);
	ListPushBack(plist, 2);
	ListPushBack(plist, 3);
	ListPushBack(plist, 4);
	ListPushBack(plist, 5);
	ListPushBack(plist, 6);
	ListPrint(plist);

	ListPopBack(plist);
	ListPrint(plist);
	ListPopBack(plist);
	ListPrint(plist);

	ListPopFront(plist);
	ListPrint(plist);
	ListPopFront(plist);
	ListPrint(plist);

	ListPopBack(plist);
	ListPrint(plist);
	ListPopBack(plist);
	ListPrint(plist);

	ListDestory(plist);
	plist = NULL;
}

void test2()
{
	ListNode* plist = ListCreate();
	ListPushBack(plist, 1);
	ListPushBack(plist, 2);
	ListPushBack(plist, 3);
	ListPushBack(plist, 4);
	ListPushBack(plist, 5);
	ListPushBack(plist, 6);
	ListPrint(plist);

	ListErase(ListFind(plist, 3));
	ListPrint(plist);

	ListInsert(ListFind(plist, 4), 3);
	ListPrint(plist);

	ListDestory(plist);
	plist = NULL;
}

int main()
{
	//test1();
	test2();

	return 0;
}

😳写在最后

💝带头双向循环链表可以说实现起来是比较简单了，虽然它的结构比较复杂。所以以后在学习的过程中，看到复杂的东西不要怕，说不定还挺简单呢，如果看到不复杂的，也别太掉以轻心，说不定它展开来却很难呢。
❤️‍🔥后续将会持续输出有关数据结构的文章，你们的支持就是我写作的最大动力！

感谢阅读本小白的博客，错误的地方请严厉指出噢~

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带头双向循环链表的初始化

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