大话数据结构之二（线性表）

线性表的抽象数据类型

什么是线性表。线性表其实就是零个或多个数据元素的有限序列。

在较复杂的线性表中，一个数据元素可以由若干个数据项组成

线性表的抽象数据类型如下：

线性表的顺序存储结构

事实上我们可以用c语言的一维数组来实现顺序存储结构，源码如下：

#include "stdio.h"    
#include "stdlib.h"   
#include "io.h"  
#include "math.h"  
#include "time.h"

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

#define MAXSIZE 20 /* 存储空间初始分配量 */

typedef int Status;          /* Status是函数的类型,其值是函数结果状态代码，如OK等 */
typedef int ElemType;        /* ElemType类型根据实际情况而定，这里假设为int */


Status visit(ElemType c)
{
    printf("%d ",c);
    return OK;
}

typedef struct
{
    ElemType data[MAXSIZE];        /* 数组，存储数据元素 */
    int length;                                /* 线性表当前长度 */
}SqList;

/* 初始化顺序线性表 */
Status InitList(SqList *L) 
{ 
    L->length=0;
    return OK;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在。操作结果：若L为空表，则返回TRUE，否则返回FALSE */
Status ListEmpty(SqList L)
{ 
    if(L.length==0)
        return TRUE;
    else
        return FALSE;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在。操作结果：将L重置为空表 */
Status ClearList(SqList *L)
{ 
    L->length=0;
    return OK;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在。操作结果：返回L中数据元素个数 */
int ListLength(SqList L)
{
    return L.length;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在，1≤i≤ListLength(L) */
/* 操作结果：用e返回L中第i个数据元素的值,注意i是指位置，第1个位置的数组是从0开始 */
Status GetElem(SqList L,int i,ElemType *e)
{
    if(L.length==0 || i<1 || i>L.length)
            return ERROR;
    *e=L.data[i-1];//只要i的数值在数组下标范围内就把数组第i-1下标的值返回

    return OK;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在 */
/* 操作结果：返回L中第1个与e满足关系的数据元素的位序。 */
/* 若这样的数据元素不存在，则返回值为0 */
int LocateElem(SqList L,ElemType e)
{
    int i;
    if (L.length==0)//如果是空表
            return 0;
    for(i=0;i<L.length;i++)
    {
            if (L.data[i]==e)//找到
                    break;
    }
    if(i>=L.length)//判断是否越界
            return 0;

    return i+1;//返回所在索引位置
}


/* 初始条件：顺序线性表L已存在,1≤i≤ListLength(L)， */
/* 操作结果：在L中第i个位置之前插入新的数据元素e，L的长度加1 */
Status ListInsert(SqList *L,int i,ElemType e)
{ 
    int k;
    if (L->length==MAXSIZE)  /* 顺序线性表已经满 */
        return ERROR;
    if (i<1 || i>L->length+1)/* 当i比第一位置小或者比最后一位置后一位置还要大时 */
        return ERROR;

    if (i<=L->length)        /* 若插入数据位置不在表尾 */
    {
        for(k=L->length-1;k>=i-1;k--)  /* 将要插入位置之后的数据元素向后移动一位 */
            L->data[k+1]=L->data[k];
    }
    L->data[i-1]=e;          /* 将新元素插入 */
    L->length++;

    return OK;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在，1≤i≤ListLength(L) */
/* 操作结果：删除L的第i个数据元素，并用e返回其值，L的长度减1 */
Status ListDelete(SqList *L,int i,ElemType *e) 
{ 
    int k;
    if (L->length==0)               /* 线性表为空 */
        return ERROR;
    if (i<1 || i>L->length)         /* 删除位置不正确 */
        return ERROR;
    *e=L->data[i-1];
    if (i<L->length)                /* 如果删除不是最后位置 */
    {
        for(k=i;k<L->length;k++)/* 将删除位置后继元素前移 */
            L->data[k-1]=L->data[k];
    }
    L->length--;
    return OK;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在 */
/* 操作结果：依次对L的每个数据元素输出 */
Status ListTraverse(SqList L)
{
    int i;
    for(i=0;i<L.length;i++)
            visit(L.data[i]);
    printf("
");
    return OK;
}
/* 将所有的在线性表Lb中但不在La中的数据元素插入到La中 */
void unionL(SqList *La,SqList Lb)
{
    int La_len,Lb_len,i;
    ElemType e;//声明与La和Lb相同的数据元素e
    La_len=ListLength(*La);//获得线性表的长度
    Lb_len=ListLength(Lb);
    for (i=1;i<=Lb_len;i++)
    {
        GetElem(Lb,i,&e);//取得Lb中第i个数据元素赋给e
        if (!LocateElem(*La,e))//La中不存在和e相同数据元素
            ListInsert(La,++La_len,e);//插入
    }
}

void main()
{
        
    SqList L;
    SqList Lb;
    
    ElemType e;
    Status i;
    int j,k;
    i=InitList(&L);
    printf("初始化L后：L.length=%d
",L.length);
    for(j=1;j<=5;j++)
            i=ListInsert(&L,1,j);
    printf("在L的表头依次插入1～5后：L.data=");
    ListTraverse(L); 

    printf("L.length=%d 
",L.length);
    i=ListEmpty(L);
    printf("L是否空：i=%d(1:是 0:否)
",i);

    i=ClearList(&L);
    printf("清空L后：L.length=%d
",L.length);
    i=ListEmpty(L);
    printf("L是否空：i=%d(1:是 0:否)
",i);

    for(j=1;j<=10;j++)
            ListInsert(&L,j,j);
    printf("在L的表尾依次插入1～10后：L.data=");
    ListTraverse(L); 

    printf("L.length=%d 
",L.length);

    ListInsert(&L,1,0);
    printf("在L的表头插入0后：L.data=");
    ListTraverse(L); 
    printf("L.length=%d 
",L.length);

    GetElem(L,5,&e);
    printf("第5个元素的值为：%d
",e);
    for(j=3;j<=4;j++)
    {
            k=LocateElem(L,j);
            if(k)
                    printf("第%d个元素的值为%d
",k,j);
            else
                    printf("没有值为%d的元素
",j);
    }
    

    k=ListLength(L); /* k为表长 */
    for(j=k+1;j>=k;j--)
    {
            i=ListDelete(&L,j,&e); /* 删除第j个数据 */
            if(i==ERROR)
                    printf("删除第%d个数据失败
",j);
            else
                    printf("删除第%d个的元素值为：%d
",j,e);
    }
    printf("依次输出L的元素：");
    ListTraverse(L); 

    j=5;
    ListDelete(&L,j,&e); /* 删除第5个数据 */
    printf("删除第%d个的元素值为：%d
",j,e);

    printf("依次输出L的元素：");
    ListTraverse(L); 

    //构造一个有10个数的Lb
    i=InitList(&Lb);
    for(j=6;j<=15;j++)
            i=ListInsert(&Lb,1,j);

    unionL(&L,Lb);

    printf("依次输出合并了Lb的L的元素：");
    ListTraverse(L); 

    scanf('&a');//这句话是为了让屏幕暂停
}

这里强调一下：

插入操作的思路

删除操作的思路

线性表顺序存储结构的优缺点：

线性表链式存储结构

先来看看什么叫链式存储？

单链表就是每个结点只包含一个指针域，那如果包含两个就叫双链表了。

链表中第一个结点的存储位置叫做头指针，有时候我们为了更加方便的对链表进行操作，会在单链表的第一个结点前附设一个结点，称为头结点。头结点的数据域可以不存储任何信息也可以存储如线性表的长度等附加信息，头结点的指针域指向第一个结点的指针。

头指针和头结点的异同

单链表的存储结果示意图

带有头结点的单链表

空链表

线性表的链式存储结构源码

链式存储结构单链表读取在最坏情况下的时间复杂度为O(n)   （做读取的时候只能一直“指针后移”的方式进行比较）

单链表的插入操作核心代码只有两句：

    s->next = p->next;      /* 将p的后继结点赋值给s的后继  */
    p->next = s;          /* 将s赋值给p的后继 */

这两句话事实上就做了如下图所示的事情

单链表的删除操作核心代码：

    q = p->next;
    p->next = q->next;            /* 将q的后继赋值给p的后继 */

事实上这两句代码只做了如下图所示的一件事：将它的前继结点的指针绕过，指向它的后继结点。如下图所示

单链表的整表创建有两种方式:

• 头插法
• 尾插法

头插法示意图：

尾插法核心代码如下：

        r->next=p;                        /* 将表尾终端结点的指针指向新结点 */
        r = p;                            /* 将当前的新结点定义为表尾终端结点 */

尾插法的核心思想就是L是整个链表，r是始终指向尾结点的变量，r会随着循环不断变化而L则随着循环增长为一个多结点的链表，在循环中始终中将表尾终端结点的指针指向新结点，然后再生成的新的结点赋值给r，这样就能保证r始终为最尾终端结点

示意图如下

整个的源码如下所示：

#include "stdio.h"    
#include "string.h"
#include "ctype.h"      
#include "stdlib.h"   
#include "io.h"  
#include "math.h"  
#include "time.h"

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

#define MAXSIZE 20 /* 存储空间初始分配量 */

typedef int Status;/* Status是函数的类型,其值是函数结果状态代码，如OK等 */
typedef int ElemType;/* ElemType类型根据实际情况而定，这里假设为int */


Status visit(ElemType c)
{
    printf("%d ",c);
    return OK;
}

typedef struct Node
{
    ElemType data;
    struct Node *next;
}Node;
typedef struct Node *LinkList; /* 定义LinkList */

/* 初始化顺序线性表 */
Status InitList(LinkList *L) 
{ 
    *L=(LinkList)malloc(sizeof(Node)); /* 产生头结点,并使L指向此头结点 */
    if(!(*L)) /* 存储分配失败 */
            return ERROR;
    (*L)->next=NULL; /* 指针域为空 */

    return OK;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在。操作结果：若L为空表，则返回TRUE，否则返回FALSE */
Status ListEmpty(LinkList L)
{ 
    if(L->next)
            return FALSE;
    else
            return TRUE;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在。操作结果：将L重置为空表 */
Status ClearList(LinkList *L)
{ 
    LinkList p,q;
    p=(*L)->next;           /*  p指向第一个结点 */
    while(p)                /*  没到表尾 */
    {
        q=p->next;
        free(p);
        p=q;
    }
    (*L)->next=NULL;        /* 头结点指针域为空 */
    return OK;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在。操作结果：返回L中数据元素个数 */
int ListLength(LinkList L)
{
    int i=0;
    LinkList p=L->next; /* p指向第一个结点 */
    while(p)                        
    {
        i++;
        p=p->next;
    }
    return i;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在，1≤i≤ListLength(L) */
/* 操作结果：用e返回L中第i个数据元素的值 */
Status GetElem(LinkList L,int i,ElemType *e)
{
    //从头开始找，直到第i个元素为止
    int j;
    LinkList p;        /* 声明一结点p指向链表的第一个结点*/
    p = L->next;        /* 让p指向链表L的第一个结点 */
    j = 1;        /*  j为计数器 从1开始*/
    while (p && j<i)  /* p不为空或者计数器j还没有等于i时，循环继续 */
    {   
        p = p->next;  /* 让p指向下一个结点 */
        ++j;/* j累加 */
    }
    if ( !p || j>i ) 
        return ERROR;  /*  第i个元素不存在 */
    *e = p->data;   /*  取第i个元素的数据 */
    return OK;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在 */
/* 操作结果：返回L中第1个与e满足关系的数据元素的位序。 */
/* 若这样的数据元素不存在，则返回值为0 */
int LocateElem(LinkList L,ElemType e)
{
    int i=0;
    LinkList p=L->next;
    while(p)
    {
        i++;
        if(p->data==e) /* 找到这样的数据元素 */
                return i;
        p=p->next;
    }

    return 0;
}


/* 初始条件：顺序线性表L已存在,1≤i≤ListLength(L)， */
/* 操作结果：在L中第i个位置之前插入新的数据元素e，L的长度加1 */
Status ListInsert(LinkList *L,int i,ElemType e)
{ 
    int j;
    LinkList p,s;
    p = *L;  //p指向链表的第一个结点 
    j = 1;//j从1开始
    while (p && j < i)     /* 寻找第i个结点 */
    {
        p = p->next;
        ++j;
    } 
    if (!p || j > i) 
        return ERROR;   /* 第i个元素不存在 */
    s = (LinkList)malloc(sizeof(Node));  /*  生成新结点(C语言标准函数) */
    s->data = e;  
    s->next = p->next;      /* 将p的后继结点赋值给s的后继  */
    p->next = s;          /* 将s赋值给p的后继 */
    return OK;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在，1≤i≤ListLength(L) */
/* 操作结果：删除L的第i个数据元素，并用e返回其值，L的长度减1 */
Status ListDelete(LinkList *L,int i,ElemType *e) 
{ 
    int j;
    LinkList p,q;
    p = *L;
    j = 1;
    while (p->next && j < i)    /* 遍历寻找第i个元素 */
    {
        p = p->next;
        ++j;
    }
    if (!(p->next) || j > i) 
        return ERROR;           /* 第i个元素不存在 */
    q = p->next;
    p->next = q->next;            /* 将q的后继赋值给p的后继 */
    *e = q->data;               /* 将q结点中的数据给e */
    free(q);                    /* 让系统回收此结点，释放内存 */
    return OK;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在 */
/* 操作结果：依次对L的每个数据元素输出 */
Status ListTraverse(LinkList L)
{
    LinkList p=L->next;
    while(p)
    {
        visit(p->data);
        p=p->next;
    }
    printf("
");
    return OK;
}

/*  随机产生n个元素的值，建立带表头结点的单链线性表L（头插法） */
void CreateListHead(LinkList *L, int n) 
{
    LinkList p;//声明结点
    int i;//计数器变量
    srand(time(0));                         /* 初始化随机数种子 */
    *L = (LinkList)malloc(sizeof(Node));
    (*L)->next = NULL;                      /*  先建立一个带头结点的单链表 */
    for (i=0; i<n; i++) 
    {
        p = (LinkList)malloc(sizeof(Node)); /*  生成新结点 */
        p->data = rand()%100+1;             /*  随机生成100以内的数字 */
        p->next = (*L)->next;    
        (*L)->next = p;                        /*  插入到表头 */
    }
}

/*  随机产生n个元素的值，建立带表头结点的单链线性表L（尾插法） */
void CreateListTail(LinkList *L, int n) 
{
    LinkList p,r;
    int i;
    srand(time(0));                      /* 初始化随机数种子 */
    *L = (LinkList)malloc(sizeof(Node)); /* L为整个线性表 */
    r=*L;                                /* r为指向尾部的结点 */
    for (i=0; i<n; i++) 
    {
        p = (Node *)malloc(sizeof(Node)); /*  生成新结点 */
        p->data = rand()%100+1;           /*  随机生成100以内的数字 */
        r->next=p;                        /* 将表尾终端结点的指针指向新结点 */
        r = p;                            /* 将当前的新结点定义为表尾终端结点 */
    }
    r->next = NULL;                       /* 表示当前链表结束 */
}

void main()
{        
    LinkList L;
    ElemType e;
    Status i;
    int j,k;
    i=InitList(&L);
    printf("初始化L后：ListLength(L)=%d
",ListLength(L));
    for(j=1;j<=5;j++)
            i=ListInsert(&L,1,j);
    printf("在L的表头依次插入1～5后：L.data=");
    ListTraverse(L); 

    printf("ListLength(L)=%d 
",ListLength(L));
    i=ListEmpty(L);
    printf("L是否空：i=%d(1:是 0:否)
",i);

    i=ClearList(&L);
    printf("清空L后：ListLength(L)=%d
",ListLength(L));
    i=ListEmpty(L);
    printf("L是否空：i=%d(1:是 0:否)
",i);

    for(j=1;j<=10;j++)
            ListInsert(&L,j,j);
    printf("在L的表尾依次插入1～10后：L.data=");
    ListTraverse(L); 

    printf("ListLength(L)=%d 
",ListLength(L));

    ListInsert(&L,1,0);
    printf("在L的表头插入0后：L.data=");
    ListTraverse(L); 
    printf("ListLength(L)=%d 
",ListLength(L));

    GetElem(L,5,&e);
    printf("第5个元素的值为：%d
",e);
    for(j=3;j<=4;j++)
    {
            k=LocateElem(L,j);
            if(k)
                    printf("第%d个元素的值为%d
",k,j);
            else
                    printf("没有值为%d的元素
",j);
    }
    

    k=ListLength(L); /* k为表长 */
    for(j=k+1;j>=k;j--)
    {
            i=ListDelete(&L,j,&e); /* 删除第j个数据 */
            if(i==ERROR)
                    printf("删除第%d个数据失败
",j);
            else
                    printf("删除第%d个的元素值为：%d
",j,e);
    }
    printf("依次输出L的元素：");
    ListTraverse(L); 

    j=5;
    ListDelete(&L,j,&e); /* 删除第5个数据 */
    printf("删除第%d个的元素值为：%d
",j,e);

    printf("依次输出L的元素：");
    ListTraverse(L); 

    i=ClearList(&L);
    printf("
清空L后：ListLength(L)=%d
",ListLength(L));
    CreateListHead(&L,20);
    printf("整体创建L的元素(头插法)：");
    ListTraverse(L); 
    
    i=ClearList(&L);
    printf("
删除L后：ListLength(L)=%d
",ListLength(L));
    CreateListTail(&L,20);
    printf("整体创建L的元素(尾插法)：");
    ListTraverse(L); 


   scanf("&a");
}

单链表结构与顺序存储结构优缺点

静态链表

用数组描述的链表就叫静态链表（静态链表让我觉得人类的智慧真是太无穷了）

我们都知道c语言是有指针的，但是早期的高级编程语言是没有指针的，但是链表结构在没有指针的情况下应该怎么弄呢，这时候就想到了一种方案“静态链表”。我们来看一下如果我们已经将数据存入静态链表中，比如分别存储甲乙丁...如下图所示

静态链表插入

假设我们需要在乙丁之间插入一个值为丙的元素，事实上只要做三步操作

1. 将丙放到备用链表第一个位置
2. 修改丙的cur为乙的cur游标
3. 修改乙的cur游标为丙所在的索引
4. 修改下标为0的cur的位置为新的备用链表第一个结点的下标

静态链表删除：

1、将下标为999（也就是最后一个元素）的cur修改为要删除的元素的下标

2、将要删除的元素的cur为下标为0的cur（也就是说现在要删除的元素才是备用链表的第一个结点，原先备用链表的第一个结点成为将要删除元素的后继结点了）

3、将要删除的分量下标赋值给第一个元素的cur

如上所述思想，假设甲要被删除的话，则示意图如下所示：

静态链表的实现源码如下所示：

#include "string.h"
#include "ctype.h"      

#include "stdio.h"    
#include "stdlib.h"   
#include "io.h"  
#include "math.h"  
#include "time.h"

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

#define MAXSIZE 1000 /* 存储空间初始分配量 */

typedef int Status;           /* Status是函数的类型,其值是函数结果状态代码，如OK等 */
typedef char ElemType;        /* ElemType类型根据实际情况而定，这里假设为char */


Status visit(ElemType c)
{
    printf("%c ",c);
    return OK;
}

/* 线性表的静态链表存储结构 */
typedef struct 
{
    ElemType data;
    int cur;  /* 游标(Cursor) ，为0时表示无指向 */
} Component,StaticLinkList[MAXSIZE];


/* 将一维数组space中各分量链成一个备用链表，space[0].cur为头指针，"0"表示空指针 */
Status InitList(StaticLinkList space) 
{
    int i;
    for (i=0; i<MAXSIZE-1; i++)  
        space[i].cur = i+1;
    space[MAXSIZE-1].cur = 0; /* 目前静态链表为空，最后一个元素的cur为0 */
    return OK;
}


/* 若备用空间链表非空，则返回分配的结点下标，否则返回0 */
int Malloc_SSL(StaticLinkList space) 
{ 
    int i = space[0].cur;                   /* 当前数组第一个元素的cur存的值 */
                                            /* 就是要返回的第一个备用空闲的下标 */
    if (space[0]. cur)         
        space[0]. cur = space[i].cur;       /* 由于要拿出一个分量来使用了， */
                                            /* 所以我们就得把它的下一个 */
                                            /* 分量用来做备用 */
    return i;
}


/*  将下标为k的空闲结点回收到备用链表 */
void Free_SSL(StaticLinkList space, int k) 
{  
    space[k].cur = space[0].cur;    /* 把第一个元素的cur值赋给要删除的分量cur */
    space[0].cur = k;               /* 把要删除的分量下标赋值给第一个元素的cur */
}

/* 初始条件：静态链表L已存在。操作结果：返回L中数据元素个数 */
int ListLength(StaticLinkList L)
{
    int j=0;
    int i=L[MAXSIZE-1].cur;
    while(i)
    {
        i=L[i].cur;
        j++;
    }
    return j;
}

/*  在L中第i个元素之前插入新的数据元素e   */
Status ListInsert(StaticLinkList L, int i, ElemType e)   
{  
    int j, k, l;   
    k = MAXSIZE - 1;   /* 注意k首先是最后一个元素的下标 */
    if (i < 1 || i > ListLength(L) + 1)   
        return ERROR;   
    j = Malloc_SSL(L);   /* 获得空闲分量的下标 */
    if (j)   
    {   
        L[j].data = e;   /* 将数据赋值给此分量的data */
        for(l = 1; l <= i - 1; l++)   /* 找到第i个元素之前的位置 */
           k = L[k].cur;           
        L[j].cur = L[k].cur;    /* 把第i个元素之前的cur赋值给新元素的cur */
        L[k].cur = j;           /* 把新元素的下标赋值给第i个元素之前元素的ur */
        return OK;   
    }   
    return ERROR;   
}

/*  删除在L中第i个数据元素   */
Status ListDelete(StaticLinkList L, int i)   
{ 
    int j, k;   
    if (i < 1 || i > ListLength(L))   
        return ERROR;   
    k = MAXSIZE - 1;   
    for (j = 1; j <= i - 1; j++)   
        k = L[k].cur;   
    j = L[k].cur;   
    L[k].cur = L[j].cur;   
    Free_SSL(L, j);   
    return OK;   
} 

Status ListTraverse(StaticLinkList L)
{
    int j=0;
    int i=L[MAXSIZE-1].cur;
    while(i)
    {
            visit(L[i].data);
            i=L[i].cur;
            j++;
    }
    return j;
    printf("
");
    return OK;
}


int main()
{
    StaticLinkList L;
    Status i;
    i=InitList(L);
    printf("初始化L后：L.length=%d
",ListLength(L));

    i=ListInsert(L,1,'F');
    i=ListInsert(L,1,'E');
    i=ListInsert(L,1,'D');
    i=ListInsert(L,1,'B');
    i=ListInsert(L,1,'A');

    printf("
在L的表头依次插入FEDBA后：
L.data=");
    ListTraverse(L); 

    i=ListInsert(L,3,'C');
    printf("
在L的“B”与“D”之间插入“C”后：
L.data=");
    ListTraverse(L); 

    i=ListDelete(L,1);
    printf("
在L的删除“A”后：
L.data=");
    ListTraverse(L); 

    printf("
");

    return 0;
}

  

静态链表优缺点

循环链表

循环链表带的头结点的空链表如下图所示：

非空的带头结点的循环链表如下图所示：

双向链表

双向链表就是在单链表的每个结点中，再设置一个指向其前驱结点的指针域。

双向链表带的头结点的空链表如下图所示：

非空的循环的带头结点的双向链表如下图所示：

双向链表的插入操作核心代码：

也就是实现如下图所示效果：

双向链表的删除操作则更简单了（当然记得要释放元素所在的空间）

效果如下图所示：