learn-data-structures/2.1 单链表

本节的重要性

这里我要多啰嗦几句，因为单链表是非常基础的链式结构，所以当你学会了用C语言描述单链表的时，后面的堆、栈、双向链表、哈希表等用C描述将不在话下。
如果你是一名初学者，那更应该仔细阅读本篇，强烈建议自己敲一遍代码。

单链表的节点

如图所示，单链表的节点分为数据域和指针域，可以将它们视为一个整体，称之为节点，稍后我们会用结构体来表示节点。
数据域，顾名思义，就是存放数据的地方。
指针域，是用来存放指针变量的地方，指针指向下一个节点的地址。

单链表的表示

单链表是线性表的链式表示和实现。把节点链接起来，就形成了单链表。

定义表示节点的结构体

如何用C语言描述节点？这里我们用到了struct。

struct node {
    /* 后继节点 */
    struct node *next;
    /* 值 */
    int data;
};

首先我们定义了一个结构体，结构体的标记为node。
其次，它具有两个属性，一个是int类型的data，也就是上文提到的数据域。还一个是指针域。 如何理解struct node *next呢？
要知道，指针域是存放指针变量的，这个变量名叫做 next,又因为这个指针是指向下一个节点的地址的，换句话说，这个指针指向的是一个我们定义的用来表示节点的结构体。所以这个指针变量的类型为 struct node。星号*表示它是指针变量。所以合起来就是struct node *next。 最后，为了方便，我们可以使用typedef关键字为struct node取一个别名。

typedef struct node {
    /* 后继节点 */
    struct node *next;
    /* 值 */
    int data;
}list;

这样，在后面的代码书写中, list就等价于struct node了。 比如我们使用这个结构体创建一个新的节点， list *new_node就等价于struct node *new_node。

单链表的创建

list * create_list()
{
    /* 创建一个新的节点，由于使用了typedef关键字，此处 node *head与struct node *head等价    */
    list *head = (list *)malloc(sizeof(list));
    if(head==NULL) return NULL;
    /* 初始化节点 */
    head->data = 0; // 头结点数据域，我们用来表示链表长度
    head->next = NULL; 
    return head;
}

此函数会创建一个单链表，并返回头指针。 头指针是指向头结点地址的指针，和节点中指向下一个节点的指针是相同类型。
首先，我们用malloc函数开辟了一块list大小的内存，并返回了指向该内存块首地址的指针，同时将此指针赋值给头指针变量。
接着，判断此指针是否为空，为空，则说明内存申请失败（一般不会）。
然后，对该节点进行初始化。
最后，函数返回头指针，结束。

为什么设置头节点？
头节点的数据域一般无意义，这里为了方便后面的插入和删除操作而设置，头节点并非链表所必须。
头节点后面的第一个元素节点，称为首元节点。

单链表的插入

试想如下情况，一个新的节点n，要插入到x节点后。 图中虚线表示断开连接，下同。
按照一般思路可能是:

x->next = n;
n->next = x->next;

显然，这是错误的，因为执行x->next = n之后，n->next = x->next等价于n->next = n ，所以正确的做法应该是这样；

n->next = x->next;
x->next = n;

完整版插入函数： 插入函数接受三个参数，被插入节点的链表的指针head，新结点的数据data，和要插入的位置pos;

list * list_insert_node(list *head, int data, int pos)
{   
    int i;
    list *current = head;

    /* 如果要插入的位置比链表长，则属于非法操作 */
    if(pos > current->data) return NULL;

    /* 创建一个节点，并初始化 */
    list *node = (list *)malloc(sizeof(list));
    if(node==NULL) return NULL;
    node->data = data;
    node->next = NULL;

    /* 遍历链表，找到要插入的位置 */
    for(i=0;i<pos;i++){
        current = current->next;
    }

    /* 插入 */
    node->next = current->next;
    current->next = node;

    /* 链表长度+1 */
    head->data++;
    return head;
}

可以在main函数中调用测试：

list *l = create_list();
printf("当前链表长度：%d\n", l->data);
list_insert_node(l, 1, 0);
printf("当前链表长度：%d\n", l->data);

使用gcc编译:

gcc -fsanitize=address -fno-omit-frame-pointer  -g linked_list.c  && ./a.out

输出正常且无内存报错信息：

当前链表长度：0
当前链表长度：1

单链表的遍历

较为简单，不再解释

/* 打印链表数据，但不包括头结点的数据*/
void print_list(list *head)
{
    list *current = head->next;
    while (current)
    {
        printf("%d \t", current->data);
        current = current->next;
    }
    printf("\n");
}

单链表的删除

假设要删除head后的节点，那么直接让head->next = head->next->next即可，但不要忘记释放被删除的节点。 基于此思路：

list *list_delete_data(list *head, int pos)
{
    int i;
    list *current = head;

    /* 如果要删除的位置比链表长，则属于非法操作 */
    if(pos > current->data) return NULL;

    /* 遍历链表，找到要删除的节点的前一个节点的指针 */
    for(i=0;i<pos;i++){
        current = current->next;
    }
    // 临时记录将被删除的节点
    list *temp = current->next;
    // 删除节点
    current->next = current->next->next;
    
    //释放掉被删除节点的内存
    free(temp);
    head->data--;
    return head;
}

单链表的测试

这样，一个基础的链表就写好了，可以在main函数中测试。

int main()
{
    int i;
    list *l = create_list();
    // 多次插入数据
    for(i=0;i<5;i++){
        list_insert_node(l, i, 0);
        print_list(l);
    }
    list_delete_data(l, 0);
    print_list(l);
    return 0;
}

编译与输出：

# gcc -fsanitize=address -fno-omit-frame-pointer  -g linked_list.c  && ./a.out
0 
1       0 
2       1       0 
3       2       1       0 
4       3       2       1       0 
3       2       1       0 

完整代码

完整代码，详见代码清单。