数据结构（一）线性表链式存储实现

（一）前提

在前面的线性表顺序存储结构，最大的缺点是插入和删除需要移动大量的元素，需要耗费较多的时间。
原因：在相邻两个元素的存储位置也具有邻居关系，他们在内存中的位置是紧挨着的，中间没有间隙，当然无法快速插入和删除。
为了解决这个为题，出现了链式存储结构

（二）链式线性表两种结构（带有头结点和不带头结点）

不带头结点：

空链表：

 

带有头结点：

空链表：

 （三）头结点和头指针的区别

头指针：

1.头指针是指向第一个结点的指针，若是链表中只有头结点，则是指向头结点的指针
2.头指针具有标识作用，所以常常以头指针冠以链表的名字（指针变量名）
3.无论链表是否为空，头结点均不为空
4.头指针是链表必要元素

头结点：

1.头结点是为了操作统一和方便而设立的，放在第一个元素结点之前，其数据域一般无意义（也可以存放表长度）
2.有了头结点，对第一个元素结点的插入，删除，其操作和其他结点操作统一了
3.头结点不一定是链表的必要元素

 （四）带头结点的单链表实现

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define OK 1
#define ERROR 0
#define TRUE 1
#define FALSE 0

typedef int ElemType;
typedef int Status;

typedef struct Node
{
    ElemType data;
    struct Node* next;
}Node;

typedef struct Node* LinkList;

//四个基本操作，初始，清空，判断是否为空，获取长度
Status InitList(LinkList* L);
Status ClearList(LinkList* L);
Status ListEmpty(LinkList L);
int ListLength(LinkList L);

//四个元素操作，插入，删除，两种查找
Status GetElem(LinkList L, int i, ElemType* e);
int LocateElem(LinkList L, ElemType e);
Status ListInsert(LinkList* L, int i, ElemType e);
Status ListDelete(LinkList* L, int i, ElemType* e);

//用来打印链表
void PrintList(LinkList L);

int main()
{
    LinkList L;
    ElemType e;
    Status ret;
    int i;
    printf("1.InitList\n");
    InitList(&L);
    printf("2.1 Insert range of 5 elements by head\n");
    for (i = 1; i <= 5;i++)
    {
        ListInsert(&L, 1, i);
    }

    printf("2.2 Insert range of 5 elements by end\n");
    for (; i <= 10; i++)
    {
        ListInsert(&L, ListLength(L)+1, i);
    }

    PrintList(L);
    printf("3. list length:%d\n", ListLength(L));
    printf("4.find element by element:%d get index:%d\n",8, LocateElem(L, 8));
    GetElem(L, 6, &e);
    printf("5.find element by index:%d get element:%d\n",6,e);
    ListDelete(&L, 3, &e);
    printf("6.delete element by index:%d get element:%d\n",3,e);
    PrintList(L);
    printf("7.Clear\n");
    ClearList(&L);
    printf("8.is empty:%d\n", ListEmpty(L));
    
    system("pause");
    return 0;
}

//四个基本操作，初始，清空，判断是否为空，获取长度
//初始化带有头结点的链表
Status InitList(LinkList* L)
{
    *L = (LinkList)malloc(sizeof(Node));    //使头指针指向头结点
    if (*L == NULL)    //内存分配失败
        return ERROR;
    (*L)->next = NULL;    //指针域为空
    (*L)->data = 0;    //头结点数据域用来存放链表长度
    return OK;
}

//清空链表（不会清除头结点）
Status ClearList(LinkList* L)
{
    LinkList q, p;
    q = (*L)->next;    //是q指向第一个结点
    while (q)
    {
        p = q;
        q = q->next;
        free(p);
    }
    (*L)->next = NULL;
    return OK;
}

//判断链表是否为空
Status ListEmpty(LinkList L)
{
    if (L->next)
        return FALSE;
    return TRUE;
}

//获取列表长度
int ListLength(LinkList L)
{
    /*
    int length=0;
    LinkList q=L;
    while (q=q->next)
        length++;
    return length;
    */
    return L->data;
}


//四个元素操作，插入，删除，两种查找
//按照索引查找，获取元素
Status GetElem(LinkList L, int i, ElemType* e)
{
    int j=1;
    LinkList q = L->next;
    while (q&&j<i)
    {
        q = q->next;
        j++;
    }
    if (!q || j>i)    //对结果进行判断!q是没有找到数据，已经到达尾结点，j>i是针对函数输入进行判断，例如输入i=0,就不会走上面循环但是p!=null,这时节点也没有找到，就需要我们进行判断，针对这个，我们也可以在函数开始就进行长度校验，更加容易理解
        return ERROR;
    *e = q->data;
    return OK;
}

//按照元素进行查找，获取索引
int LocateElem(LinkList L, ElemType e)
{
    int j=0;
    LinkList q = L->next;
    while (q)
    {
        j++;
        if (q->data == e)
            break;
        q = q->next;
    }
    return j;
}

//按照索引进行插入数据
Status ListInsert(LinkList* L, int i, ElemType e)
{
    if (L == NULL && i > (*L)->data+1)
        return ERROR;

    int j = 1;
    LinkList q = *L;

    while (q&&j<i)
    {
        q = q->next;
        j++;
    }

    if (i < j)
        return ERROR;

    //新建节点，加入链表
    LinkList n = (LinkList)malloc(sizeof(Node));
    n->data = e;
    n->next = q->next;
    q->next = n;

    (*L)->data++;    //长度自加

    return OK;
}

//进行元素删除
Status ListDelete(LinkList* L, int i, ElemType* e)
{
    if (L == NULL || i>(*L)->data)
        return ERROR;

    int j=1;
    LinkList q, p;
    q = *L;

    while (q->next&&j<i)    //这是去找指定索引元素的直接前驱
    {
        q = q->next;
        j++;
    }

    if (!(q->next) || j>i)
        return ERROR;

    p = q->next;    //这才是我们要删除的
    *e = p->data;
    q->next = p->next;
    free(p);
    (*L)->data--;
    return OK;
}


//用来打印链表
void PrintList(LinkList L)
{
    printf("begin print data:\n");
    LinkList q = L->next;
    while (q)
    {
        printf("%d ", q->data);
        q = q->next;
    }
    printf("\nend print data\n");
}

1.InitList
2.1 Insert range of 5 elements by head
2.2 Insert range of 5 elements by end
begin print data:
5 4 3 2 1 6 7 8 9 10
end print data
3. list length:10
4.find element by element:8 get index:8
5.find element by index:6 get element:6
6.delete element by index:3 get element:3
begin print data:
5 4 2 1 6 7 8 9 10
end print data
7.Clear
8.is empty:1
请按任意键继续. . .

注意：对于元素的插入和删除注意索引的正确与否

 补充：使用头插法和尾插法创建单链表

//头插法和尾插法创建单链表
void CreateListHead(LinkList* L, int n);
void CreateListEnd(LinkList* L, int n);

//头插法
void CreateListHead(LinkList* L, int n)
{
    LinkList q;
    //创建头结点
    *L = (LinkList)malloc(sizeof(Node));
    (*L)->next = NULL;
    (*L)->data = 0;

    srand(time(0));

    for (int i = 0; i < n;i++)
    {
        q = (LinkList)malloc(sizeof(Node));    //创建一个新节点
        q->data = rand() % 100 + 1;
        q->next = (*L)->next;
        (*L)->next = q;
        (*L)->data++;
    }
}

//尾插法
void CreateListEnd(LinkList* L, int n)
{
    LinkList q, p;
    //创建头结点
    *L = (LinkList)malloc(sizeof(Node));
    (*L)->next = NULL;
    (*L)->data = 0;

    p = *L;
    srand(time(0));    //创建随机种子

    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        q = (LinkList)malloc(sizeof(Node));    //创建一个新节点
        q->data = rand() % 10 + 1;
        //进行指针交换
        q->next = p->next;　　//这一步可以省去，但是需要在for循环后面加上p->next=NULL;
        p->next = q;
        //将p指针始终指向最后元素
        p = q;
        //头结点数据域自增记录链表长度
        (*L)->data++;
    }
}

 （五）时间复杂度的分析

单链表的查找性能为O(n)---->顺序存储结构为O(1)
单链表的插入和删除，在计算出某位置的指针后，插入和删除性能为O(1)----->顺序存储结构为O(n)

（六）空间性能分析

顺序存储结构需要预分配存储空间。
单链表不需要分配存储空间，元素限制不受控制

（七）总结

若线性表需要频繁查找，很少进行插入和删除操作，应该选择顺序存储结构。
当线性表中元素个数变化较大或者根本不知道有多大时，最好使用单链表结构，不需要考虑存储空间大小问题