C语言实现链表（链式存储结构）

链表（链式存储结构）及创建

链表，别名链式存储结构或单链表，用于存储逻辑关系为 "一对一" 的数据。与顺序表不同，链表不限制数据的物理存储状态，换句话说，使用链表存储的数据元素，其物理存储位置是随机的。

例如，使用链表存储 {1,2,3}，数据的物理存储状态如下图所示：

我们看到，上图 根本无法体现出各数据之间的逻辑关系。对此，链表的解决方案是，每个数据元素在存储时都配备一个指针，用于指向自己的直接后继元素。如下图所示：

像上图这样，数据元素随机存储，并通过指针表示数据之间逻辑关系的存储结构就是链式存储结构。`

链表的节点

从图 2 可以看到，链表中每个数据的存储都由以下两部分组成：

1. 数据元素本身，其所在的区域称为数据域；
2. 指向直接后继元素的指针，所在的区域称为指针域；

即链表中存储各数据元素的结构如下图 所示：

上图 所示的结构在链表中称为节点。也就是说，链表实际存储的是一个一个的节点，真正的数据元素包含在这些节点中，如下图 所示：

因此，链表中每个节点的具体实现，需要使用 C 语言中的结构体，具体实现代码为：

typedef struct Linklist{
    int  elem;//代表数据域
    struct Linklist *next;//代表指针域，指向直接后继元素
}Linklist; //link为节点名，每个节点都是一个 link 结构体

提示：由于指针域中的指针要指向的也是一个节点，因此要声明为 Link 类型（这里要写成 struct Link* 的形式）。

头节点，头指针和首元节点

其实，图 4 所示的链表结构并不完整。一个完整的链表需要由以下几部分构成：

1. 头指针：一个普通的指针，它的特点是永远指向链表第一个节点的位置。很明显，头指针用于指明链表的位置，便于后期找到链表并使用表中的数据；
2. 节点：链表中的节点又细分为头节点、首元节点和其他节点：
   头节点：其实就是一个不存任何数据的空节点，通常作为链表的第一个节点。对于链表来说，头节点不是必须的，它的作用只是为了方便解决某些实际问题；
   首元节点：由于头节点（也就是空节点）的缘故，链表中称第一个存有数据的节点为首元节点。首元节点只是对链表中第一个存有数据节点的一个称谓，没有实际意义；
   其他节点：链表中其他的节点；

因此，一个存储{1,2,3} 的完整链表结构如下图 所示：

注意：链表中有头节点时，头指针指向头节点；反之，若链表中没有头节点，则头指针指向首元节点。

明白了链表的基本结构，下面我们来了解如何创建一个链表。

链表的创建（初始化）

创建一个链表需要做如下工作：

1. 声明一个头指针（如果有必要，可以声明一个头节点）；
2. 创建多个存储数据的节点，在创建的过程中，要随时与其前驱节点建立逻辑关系；

例如，创建一个存储{1,2,3,4 }且无头节点的链表，C 语言实现代码如下：

linklist * initlinklist(){
    linklist * p=NULL;//创建头指针
    linklist * temp = (linklist*)malloc(sizeof(linklist));//创建首元节点
    //首元节点先初始化
    temp->elem = 1;
    temp->next = NULL;
    p = temp;//头指针指向首元节点
    //从第二个节点开始创建
    for (int i=2; i<5; i++) {
     //创建一个新节点并初始化
        linklist *a=(linklist*)malloc(sizeof(linklist));
        a->elem=i;
        a->next=NULL;
        //将temp节点与新建立的a节点建立逻辑关系
        temp->next=a;
        //指针temp每次都指向新链表的最后一个节点，其实就是 a节点，这里写temp=a也对
        temp=temp->next;
    }
    //返回建立的节点，只返回头指针 p即可，通过头指针即可找到整个链表
    return p;
}

如果想创建一个存储{1,2,3,4}且含头节点的链表，则 C 语言实现代码为：

linklist * initlinklist(){
    linklist * p=(linklist*)malloc(sizeof(linklist));//创建一个头结点
    linklist * temp=p;//声明一个指针指向头结点，
    //生成链表
    for (int i=1; i<5; i++) {
        linklist *a=(linklist*)malloc(sizeof(linklist));
        a->elem=i;
        a->next=NULL;
        temp->next=a;
        temp=temp->next;
    }
    return p;
}

我们只需在主函数中调用 initLink 函数，即可轻松创建一个存储 {1,2,3,4} 的链表，C 语言完整代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
//链表中节点的结构
typedef struct Linklist{
    int  elem;
    struct Linklist *next;
}linklist;
//初始化链表的函数
linklist * initlinklist();
//用于输出链表的函数
void display(linklist *p);
int main() {
    //初始化链表（1，2，3，4）
    printf("初始化链表为：\n");
    linklist *p=initlinklist();
    display(p);
    return 0;
}
linklist * initlinklist(){
    linklist * p=NULL;//创建头指针
    linklist * temp = (linklist*)malloc(sizeof(linklist));//创建首元节点
    //首元节点先初始化
    temp->elem = 1;
    temp->next = NULL;
    p = temp;//头指针指向首元节点
    for (int i=2; i<5; i++) {
        linklist *a=(linklist*)malloc(sizeof(linklist));
        a->elem=i;
        a->next=NULL;
        temp->next=a;
        temp=temp->next;
    }
    return p;
}
void display(linklist *p){
    linklist* temp=p;//将temp指针重新指向头结点
    //只要temp指针指向的结点的next不是Null，就执行输出语句。
    while (temp) {
        printf("%d ",temp->elem);
        temp=temp->next;
    }
    printf("\n");
}

程序运行结果为：

初始化链表为：
1 2 3 4
<font color=red>注意`：如果使用带有头节点创建链表的方式，则输出链表的 display 函数需要做适当地修改：

void display(linklist *p){
    linklist* temp=p;//将temp指针重新指向头结点
    //只要temp指针指向的结点的next不是Null，就执行输出语句。
    while (temp->next) {
        temp=temp->next;
        printf("%d",temp->elem);
    }
    printf("\n");
}

链表插入元素

同顺序表一样，向链表中增添元素，根据添加位置不同，可分为以下 3 种情况：

• 插入到链表的头部（头节点之后），作为首元节点；
• 插入到链表中间的某个位置；
• 插入到链表的最末端，作为链表中最后一个数据元素；

虽然新元素的插入位置不固定，但是链表插入元素的思想是固定的，只需做以下两步操作，即可将新元素插入到指定的位置：

1. 将新结点的 next 指针指向插入位置后的结点；
2. 将插入位置前结点的 next 指针指向插入结点；

例如，我们在链表{1,2,3,4}的基础上分别实现在头部、中间部位、尾部插入新元素 5，其实现过程如下图 所示：

从图中可以看出，虽然新元素的插入位置不同，但实现插入操作的方法是一致的，都是先执行步骤 1 ，再执行步骤 2。

<font color=red>注意`：链表插入元素的操作必须是先步骤 1，再步骤 2；反之，若先执行步骤 2，会导致插入位置后续的部分链表丢失，无法再实现步骤 1。

通过以上的讲解，我们可以尝试编写 C 语言代码来实现链表插入元素的操作：

//p为原链表，elem表示新数据元素，add表示新元素要插入的位置
linklist * insertElem(linklist * p,int elem,int add){
    linklist * temp=p;//创建临时结点temp
    //首先找到要插入位置的上一个结点
    for (int i=1; i<add; i++) {
        if (temp==NULL) {
            printf("插入位置无效\n");
            return p;
        }
        temp=temp->next;
    }   
    //创建插入结点c
    linklist * c=(linklist*)malloc(sizeof(linklist));
    c->elem=elem;
    //向链表中插入结点
    c->next=temp->next;
    temp->next=c;
    return  p;
}

<font color=blue>提示`:insertElem 函数中加入一个 if 语句，用于判断用户输入的插入位置是否有效。例如，在已存储 {1,2,3} 的链表中，用户要求在链表中第 100 个数据元素所在的位置插入新元素，显然用户操作无效，此时就会触发 if 语句。

链表删除元素

从链表中删除指定数据元素时，实则就是将存有该数据元素的节点从链表中摘除，但作为一名合格的程序员，要对存储空间负责，对不再利用的存储空间要及时释放。因此，从链表中删除数据元素需要进行以下 2 步操作：

1. 将结点从链表中摘下来;
2. 手动释放掉结点，回收被结点占用的存储空间;

其中，从链表上摘除某节点的实现非常简单，只需找到该节点的直接前驱节点 temp，执行一行程序：

temp->next=temp->next->next;

例如，从存有{1,2,3,4}的链表中删除元素 3，则此代码的执行效果如下图 所示：

因此，链表删除元素的 C 语言实现如下所示：

//p为原链表，add为要删除元素的值
linklist * delElem(linklist * p,int add){
    linklist * temp=p;
    //temp指向被删除结点的上一个结点
    for (int i=1; i<add; i++) {
        temp=temp->next;
    }
    linklist * del=temp->next;//单独设置一个指针指向被删除结点，以防丢失
    temp->next=temp->next->next;//删除某个结点的方法就是更改前一个结点的指针域
    free(del);//手动释放该结点，防止内存泄漏
    return p;
}

我们可以看到，从链表上摘下的节点 del 最终通过 free 函数进行了手动释放。

链表查找元素

在链表中查找指定数据元素，最常用的方法是：从表头依次遍历表中节点，用被查找元素与各节点数据域中存储的数据元素进行比对，直至比对成功或遍历至链表最末端的NULL（比对失败的标志）。

因此，链表中查找特定数据元素的 C 语言实现代码为：

//p为原链表，elem表示被查找元素、
int selectElem(linklist * p,int elem){
//新建一个指针t，初始化为头指针 p
    linklist * t=p;
    int i=1;
    //由于头节点的存在，因此while中的判断为t->next
    while (t->next) {
        t=t->next;
        if (t->elem==elem) {
            return i;
        }
        i++;
    }
    //程序执行至此处，表示查找失败
    return -1;
}

<font color=red>注意`：遍历有头节点的链表时，需避免头节点对测试数据的影响，因此在遍历链表时，建立使用上面代码中的遍历方法，直接越过头节点对链表进行有效遍历。

链表更新元素

更新链表中的元素，只需通过遍历找到存储此元素的节点，对节点中的数据域做更改操作即可。

直接给出链表中更新数据元素的 C 语言实现代码：

//更新函数，其中，add 表示更改结点在链表中的位置，newElem 为新的数据域的值
linklist *amendElem(linklist * p,int add,int newElem){
    linklist * temp=p;
    temp=temp->next;//在遍历之前，temp指向首元结点
    //遍历到被删除结点
    for (int i=1; i<add; i++) {
        temp=temp->next;
    }
    temp->elem=newElem;
    return p;
}

以上内容详细介绍了对链表中数据元素做"增删查改"的实现过程及 C 语言代码相关完整代码已经push到GitHub，需要的小伙伴自行clone，如果觉得还不错的话，欢迎Star！这里是传送门链式存储结构,除此之外，想要了解更多的C,C++,Java,Python等相关知识的童鞋，欢迎来我的博客（相逢的博客），我们一起讨论！接下来我会持续更新其他算法，敬请期待！