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什么是单链表,链式存储结构详解

前面详细地介绍了顺序表,本节给大家介绍另外一种线性存储结构——链表

链表,别名链式存储结构单链表,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图 1 所示:

链表随机存储数据
图 1 链表随机存储数据

我们看到,图 1 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。如图 2 所示:

各数据元素配备指针
图 2 各数据元素配备指针

像图 2 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图 3 所示:


图 3 节点结构

图 3 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,如图 4 所示:

链表中的节点
图 4 链表中的节点

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 Link{
    char elem; //代表数据域
    struct Link * next; //代表指针域,指向直接后继元素
}link; //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} 的完整链表结构如图 5 所示:

完整的链表示意图
图 5 完整的链表示意图

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,下面我们来学习如何创建一个链表。

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:
link * initLink(){
    link * p=NULL;//创建头指针
    link * temp = (link*)malloc(sizeof(link));//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
        link *a=(link*)malloc(sizeof(link));
        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:
link * initLink(){
    link * p=(link*)malloc(sizeof(link));//创建一个头结点
    link * temp=p;//声明一个指针指向头结点,
    //生成链表
    for (int i=1; i<5; i++) {
        link *a=(link*)malloc(sizeof(link));
        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 Link{
    int  elem;
    struct Link *next;
}link;
//初始化链表的函数
link * initLink();
//用于输出链表的函数
void display(link *p);

int main() {
    //初始化链表(1,2,3,4)
    printf("初始化链表为:\n");
    link *p=initLink();
    display(p);
    return 0;
}

link * initLink(){
    link * p=NULL;//创建头指针
    link * temp = (link*)malloc(sizeof(link));//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++) {
        link *a=(link*)malloc(sizeof(link));
        a->elem=i;
        a->next=NULL;
        temp->next=a;
        temp=temp->next;
    }
    return p;
}
void display(link *p){
    link* 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


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(link *p){
    link* 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");
}

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