数据结构之带头双向循环链表

发布于：2025-07-02 ⋅ 阅读:(24) ⋅ 点赞:(0)

欢迎拜访：雾里看山-CSDN博客
本篇主题：数据结构之带头双向循环链表
发布时间：2025.7.1
隶属专栏：数据结构

在这里插入图片描述

目录

概念与结构

带头双向循环链表（Doubly Circular Linked List with Head Node）是链表中最复杂但功能最完善的变体，它结合了四种特性：

  • 带头节点：包含一个不存储数据的哨兵节点（头节点）
  • 双向：每个节点同时包含前驱和后继指针
  • 循环：头尾节点相互连接形成环状结构
  • 链表：动态分配的非连续存储结构

核心优势

  • 统一操作逻辑：头节点消除边界条件处理
  • 高效双端操作：头插/头删/尾插/尾删均为O(1)
  • 任意位置操作：已知节点时插入/删除为O(1)
  • 完整遍历能力：从任意节点开始均可遍历整个链表
  • 内存利用率高：动态分配，无容量限制

应用场景

  1. 操作系统内核：
    1. 进程调度队列
    2. 内存页管理
    3. 文件描述符表
  2. 数据库系统
    1. 事务日志管理
    2. 缓存淘汰算法实现（如LRU）
    3. 索引结构实现
  3. 图形用户界面
    1. 控件层级管理
    2. 撤销/重做历史记录
    3. 事件处理队列
  4. 游戏开发
    1. 游戏对象管理
    2. 动画序列控制
    3. 粒子系统管理
  5. 网络协议栈
    1. TCP连接管理
    2. 数据包重组队列
    3. 路由表实现

带头双向循环链表的实现

创建结构体

结构体需要包含两个指针和一个数据域。

typedef int LTDataType;   

typedef struct ListNode
{
	struct ListNode* prev;// 指向前一个节点
	struct ListNode* next;// 指向后一个节点
	LTDataType value;     // 保存节点数据
}LTNode;

基本功能 接口实现

初始化

创建头结点，建立循环。

LTNode* LTInit()
{
	LTNode* phead = BuyLTNode(0);
	phead->next = phead;
	phead->prev = phead;

	return phead;
}

销毁

遍历数组，释放每一个节点的空间。

void LTDestory(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		LTNode* tmp = cur;
		cur = cur->next;
		free(tmp);
	}

	free(phead);	
}

创建节点

动态开辟一个节点，为其他接口提供一个已经开辟好空间的节点。

LTNode* BuyLTNode(LTDataType x)
{
	LTNode* node = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));
	if (node == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	node->value = x;
	node->prev = NULL;
	node->next = NULL;
	return node;
}

打印

打印出链表中所有的节点，方便我们进行查看

void LTPrint(LTNode* phead)
{
	assert(phead);

	printf("phead<=>");
	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		printf("%d<=>", cur->value);
		cur = cur->next;
	}
	printf("NULL\n");
}

链表长度

遍历链表一遍，计算出链表的长度

int LTSize(LTNode* phead)
{
	assert(phead);

	int size = 0;
	
	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		size++;
		cur = cur->next;
	}
	return size;
}

增删查改 接口实现

增

头插

直接将节点插入到头结点后面即可

void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);

	LTNode* newnode = BuyLTNode(x);
	LTNode* first = phead->next;

	newnode->prev = phead;
	phead->next = newnode;

	newnode->next = first;
	first->prev = newnode;
}
尾插

直接将节点插入到头结点之前即可

void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);

	LTNode* newnode = BuyLTNode(x);
	LTNode* tail = phead->prev;

	newnode->next = phead;
	phead->prev = newnode;

	newnode->prev = tail;
	tail->next = newnode;

}
在pos位置插入
void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x)
{
	assert(pos);
	
	LTNode* prev = pos->prev;
	LTNode* newnode = BuyLTNode(x);

	prev->next = newnode;
	newnode->prev = prev;
	
	pos->prev = newnode;
	newnode->next = pos;
}

删

头删

确保链表中有数据即可

void LTPopFront(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(phead->next != phead);

	LTNode* first = phead->next;
	LTNode* second = first->next;

	free(first);

	phead->next = second;
	second->prev = phead;
}
尾删

同样需要判断链表中是否存有数据

void LTPopBack(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(phead->next != phead);

	LTNode* tail = phead->prev;
	LTNode* tailprev = tail->prev;
	free(tail);

	tailprev->next = phead;
	phead->prev = tailprev;
}
删除pos位置

找到pos位置的前一个节点和后一个节点即可。

void LTErase(LTNode* pos)
{
	assert(pos);

	LTNode* posprev = pos->prev;
	LTNode* posnext = pos->next;

	free(pos);

	posprev->next = posnext;
	posnext->prev = posprev;

}

查

遍历链表，找到正确的位置，返回其节点指针，如果数据不存在，则返回空指针。

LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);

	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		if (cur->value == x)
		{
			return cur;
		}
		cur = cur->next;
	}
	return NULL;
}

改

并没有太多的技术含量，只是对节点内的数据修改一下。实现的目的是为了统一接口。

void LTModify(LTNode* pos, LTDataType x)
{
	assert(pos);

	pos->value = x;
}

整体代码展示

包含三个文件，分别是：List.h、List.c和main.c
List.h:

#pragma once

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

typedef int LTDataType;

typedef struct ListNode
{
	struct ListNode* prev;
	struct ListNode* next;
	LTDataType value;
}LTNode;


LTNode* BuyLTNode(LTDataType x);
LTNode* LTInit();
void LTDestory(LTNode* phead);
void LTPrint(LTNode* phead);
void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x);
void LTPopBack(LTNode* phead);

void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x);
void LTPopFront(LTNode* phead);

int LTSize(LTNode* phead);

LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x);


void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x);
void LTErase(LTNode* pos);


void LTModify(LTNode* pos, LTDataType x);

List.c:

#include "List.h"


LTNode* BuyLTNode(LTDataType x)
{
	LTNode* node = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));
	if (node == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	node->value = x;
	node->prev = NULL;
	node->next = NULL;
	return node;
}
LTNode* LTInit()
{
	LTNode* phead = BuyLTNode(0);
	phead->next = phead;
	phead->prev = phead;

	return phead;
}
void LTDestory(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		LTNode* tmp = cur;
		cur = cur->next;
		free(tmp);
	}

	free(phead);	
}
void LTPrint(LTNode* phead)
{
	assert(phead);

	printf("phead<=>");
	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		printf("%d<=>", cur->value);
		cur = cur->next;
	}
	printf("NULL\n");
}
void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);

	LTNode* newnode = BuyLTNode(x);
	LTNode* tail = phead->prev;

	newnode->next = phead;
	phead->prev = newnode;

	newnode->prev = tail;
	tail->next = newnode;

}
void LTPopBack(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(phead->next != phead);

	LTNode* tail = phead->prev;
	LTNode* tailprev = tail->prev;
	free(tail);

	tailprev->next = phead;
	phead->prev = tailprev;


}

void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);

	LTNode* newnode = BuyLTNode(x);
	LTNode* first = phead->next;

	newnode->prev = phead;
	phead->next = newnode;

	newnode->next = first;
	first->prev = newnode;

}
void LTPopFront(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(phead->next != phead);

	LTNode* first = phead->next;
	LTNode* second = first->next;

	free(first);

	phead->next = second;
	second->prev = phead;


}

int LTSize(LTNode* phead)
{
	assert(phead);

	int size = 0;
	
	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		size++;
		cur = cur->next;
	}
	return size;
}

LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);

	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		if (cur->value == x)
		{
			return cur;
		}
		cur = cur->next;
	}
	return NULL;
}


void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x)
{
	assert(pos);
	
	LTNode* prev = pos->prev;
	LTNode* newnode = BuyLTNode(x);

	prev->next = newnode;
	newnode->prev = prev;
	
	pos->prev = newnode;
	newnode->next = pos;
}
void LTErase(LTNode* pos)
{
	assert(pos);

	LTNode* posprev = pos->prev;
	LTNode* posnext = pos->next;

	free(pos);

	posprev->next = posnext;
	posnext->prev = posprev;

}
void LTModify(LTNode* pos, LTDataType x)
{
	assert(pos);

	pos->value = x;
}

main.c:

#include"List.h"

void TestList1()
{
	LTNode* plist = LTInit();
	LTPushBack(plist, 1);
	LTPushBack(plist, 2);
	LTPushBack(plist, 3);
	LTPushBack(plist, 4);
	LTPushBack(plist, 5);
	LTPrint(plist);

	LTPushFront(plist, 10);
	LTPushBack(plist, 10);

	LTPrint(plist);
}

void TestList2()
{
	LTNode* plist = LTInit();
	LTPushBack(plist, 1);
	LTPushBack(plist, 2);
	LTPushBack(plist, 3);
	LTPushBack(plist, 4);
	LTPushBack(plist, 5);
	LTPrint(plist);

	LTPopBack(plist);
	LTPopFront(plist);
	LTPrint(plist);

	LTPopFront(plist);
	LTPopFront(plist);
	LTPopFront(plist);
	//LTPopFront(plist);
	LTPrint(plist);
}

void TestList3()
{
	LTNode* plist = LTInit();
	LTPushBack(plist, 1);
	LTPushBack(plist, 2);
	LTPushBack(plist, 3);
	LTPushBack(plist, 4);
	LTPushBack(plist, 5);
	LTPrint(plist);

	LTPushFront(plist, 10);
	LTPushFront(plist, 20);
	LTPushFront(plist, 30);
	LTPushFront(plist, 40);
	LTPrint(plist);
}

void TestList4()
{
	LTNode* plist = LTInit();
	LTPushBack(plist, 1);
	LTPushBack(plist, 2);
	LTPushBack(plist, 3);
	LTPushBack(plist, 4);
	LTPushBack(plist, 5);
	LTPrint(plist);

	LTPopFront(plist);
	LTPrint(plist);

	LTPopBack(plist);
	LTPrint(plist);
}

int main()
{
	TestList4();

	return 0;
}

总结

带头双向循环链表作为链表结构的终极形态，具有以下核心价值：

  1. 操作统一性：头节点消除了所有边界条件
  2. 极致效率：所有位置插入删除均为O(1)操作
  3. 遍历灵活性：支持双向遍历和循环访问
  4. 内存安全性：明确的内存管理边界

尽管实现相对复杂，但在需要高性能和灵活性的系统级开发中（如操作系统内核、数据库引擎），带头双向循环链表是不可替代的基础数据结构。Linux内核中的list_head结构就是其典型应用，证明了这种数据结构在工业级系统中的重要价值。

⚠️ 写在最后：以上内容是我在学习以后得一些总结和概括，如有错误或者需要补充的地方欢迎各位大佬评论或者私信我交流！！！

网站公告

今日签到

点亮在社区的每一天
去签到

热门文章

最新发布