数据结构与算法的C/C++/Java/C#/Python实现之线性结构一：数组、单链表和双链表

线性表是一种线性结构，它是具有相同类型的n(n≥0)个数据元素组成的有限序列。本章先介绍线性表的几个基本组成部分：数组、单向链表、双向链表；随后给出双向链表的C、C++、Java、C#、Python 五种语言的实现。内容包括：数组单向链表双向链表      1. C实现双链表      2. C++实现双链表      3. Java实现双链表

      4. C#实现双链表

      5. Python实现双链表

 

数组

数组有上界和下界，数组的元素在上下界内是连续的。

存储10,20,30,40,50的数组的示意图如下：

数组的特点是：数据是连续的；随机访问速度快。 数组中稍微复杂一点的是多维数组和动态数组。对于C语言而言，多维数组本质上也是通过一维数组实现的。至于动态数组，是指数组的容量能动态增长的数组；对于C语言而言，若要提供动态数组，需要手动实现；而对于C++而言，STL提供了Vector；对于Java而言，Collection集合中提供了ArrayList和Vector。

 

单向链表

单向链表(单链表)是链表的一种，它由节点组成，每个节点都包含下一个节点的指针。

单链表的示意图如下：

表头为空，表头的后继节点是"节点10"(数据为10的节点)，"节点10"的后继节点是"节点20"(数据为10的节点)，...

 

单链表删除节点

删除"节点30"删除之前："节点20" 的后继节点为"节点30"，而"节点30" 的后继节点为"节点40"。删除之后："节点20" 的后继节点为"节点40"。

 

单链表添加节点

在"节点10"与"节点20"之间添加"节点15"添加之前："节点10" 的后继节点为"节点20"。添加之后："节点10" 的后继节点为"节点15"，而"节点15" 的后继节点为"节点20"。

单链表的特点是：节点的链接方向是单向的；相对于数组来说，单链表的的随机访问速度较慢，但是单链表删除/添加数据的效率很高。

 

双向链表

双向链表(双链表)是链表的一种。和单链表一样，双链表也是由节点组成，它的每个数据结点中都有两个指针，分别指向直接后继和直接前驱。所以，从双向链表中的任意一个结点开始，都可以很方便地访问它的前驱结点和后继结点。一般我们都构造双向循环链表。

双链表的示意图如下：

表头为空，表头的后继节点为"节点10"(数据为10的节点)；"节点10"的后继节点是"节点20"(数据为10的节点)，"节点20"的前继节点是"节点10"；"节点20"的后继节点是"节点30"，"节点30"的前继节点是"节点20"；...；末尾节点的后继节点是表头。

 

双链表删除节点

删除"节点30"删除之前："节点20"的后继节点为"节点30"，"节点30" 的前继节点为"节点20"。"节点30"的后继节点为"节点40"，"节点40" 的前继节点为"节点30"。删除之后："节点20"的后继节点为"节点40"，"节点40" 的前继节点为"节点20"。

 

双链表添加节点

在"节点10"与"节点20"之间添加"节点15"添加之前："节点10"的后继节点为"节点20"，"节点20" 的前继节点为"节点10"。添加之后："节点10"的后继节点为"节点15"，"节点15" 的前继节点为"节点10"。"节点15"的后继节点为"节点20"，"节点20" 的前继节点为"节点15"。

 

下面介绍双链表的实现，分别介绍C/C++/Java三种实现。

1. C实现双链表

实现代码双向链表头文件(double_link.h)

#ifndef _DOUBLE_LINK_H
#define _DOUBLE_LINK_H

// 新建“双向链表”。成功，返回表头；否则，返回NULL
extern int create_dlink();
// 撤销“双向链表”。成功，返回0；否则，返回-1
extern int destroy_dlink();

// “双向链表是否为空”。为空的话返回1；否则，返回0。
extern int dlink_is_empty();
// 返回“双向链表的大小”
extern int dlink_size();

// 获取“双向链表中第index位置的元素”。成功，返回节点指针；否则，返回NULL。
extern void* dlink_get(int index);
// 获取“双向链表中第1个元素”。成功，返回节点指针；否则，返回NULL。
extern void* dlink_get_first();
// 获取“双向链表中最后1个元素”。成功，返回节点指针；否则，返回NULL。
extern void* dlink_get_last();

// 将“value”插入到index位置。成功，返回0；否则，返回-1。
extern int dlink_insert(int index, void *pval);
// 将“value”插入到表头位置。成功，返回0；否则，返回-1。
extern int dlink_insert_first(void *pval);
// 将“value”插入到末尾位置。成功，返回0；否则，返回-1。
extern int dlink_append_last(void *pval);

// 删除“双向链表中index位置的节点”。成功，返回0；否则，返回-1
extern int dlink_delete(int index);
// 删除第一个节点。成功，返回0；否则，返回-1
extern int dlink_delete_first();
// 删除组后一个节点。成功，返回0；否则，返回-1
extern int dlink_delete_last();

#endif

 

双向链表实现文件(double_link.c)

#include 
#include 

/**
 * C 语言实现的双向链表，能存储任意数据。
 *
 * @author skywang
 * @date 2013/11/07
 */
// 双向链表节点
typedef struct tag_node
{
    struct tag_node *prev;
    struct tag_node *next;
    void* p;
}node;

// 表头。注意，表头不存放元素值！！！
static node *phead=NULL;
// 节点个数。
static int  count=0;

// 新建“节点”。成功，返回节点指针；否则，返回NULL。
static node* create_node(void *pval)
{
    node *pnode=NULL;
    pnode = (node *)malloc(sizeof(node));
    if (!pnode)
    {
        printf("create node error!\n");
        return NULL;
    }
    // 默认的，pnode的前一节点和后一节点都指向它自身
    pnode->prev = pnode->next = pnode;
    // 节点的值为pval
    pnode->p = pval;

    return pnode;
}

// 新建“双向链表”。成功，返回0；否则，返回-1。
int create_dlink()
{
    // 创建表头
    phead = create_node(NULL);
    if (!phead)
        return -1;

    // 设置“节点个数”为0
    count = 0;

    return 0;
}

// “双向链表是否为空”
int dlink_is_empty()
{
    return count == 0;
}

// 返回“双向链表的大小”
int dlink_size() {
    return count;
}

// 获取“双向链表中第index位置的节点”
static node* get_node(int index)
{
    if (index=count)
    {
        printf("%s failed! index out of bound!\n", __func__);
        return NULL;
    }

    // 正向查找
    if (index next;
        while ((i++) < index)
            pnode = pnode->next;

        return pnode;
    }

    // 反向查找
    int j=0;
    int rindex = count - index - 1;
    node *rnode=phead->prev;
    while ((j++) < rindex)
        rnode = rnode->prev;

    return rnode;
}

// 获取“第一个节点”
static node* get_first_node()
{
    return get_node(0);
}

// 获取“最后一个节点”
static node* get_last_node()
{
    return get_node(count-1);
}

// 获取“双向链表中第index位置的元素”。成功，返回节点值；否则，返回-1。
void* dlink_get(int index)
{
    node *pindex=get_node(index);
    if (!pindex)
    {
        printf("%s failed!\n", __func__);
        return NULL;
    }

    return pindex->p;

}

// 获取“双向链表中第1个元素的值”
void* dlink_get_first()
{
    return dlink_get(0);
}

// 获取“双向链表中最后1个元素的值”
void* dlink_get_last()
{
    return dlink_get(count-1);
}

// 将“pval”插入到index位置。成功，返回0；否则，返回-1。
int dlink_insert(int index, void* pval)
{
    // 插入表头
    if (index==0)
        return dlink_insert_first(pval);

    // 获取要插入的位置对应的节点
    node *pindex=get_node(index);
    if (!pindex)
        return -1;

    // 创建“节点”
    node *pnode=create_node(pval);
    if (!pnode)
        return -1;

    pnode->prev = pindex->prev;
    pnode->next = pindex;
    pindex->prev->next = pnode;
    pindex->prev = pnode;
    // 节点个数+1
    count++;

    return 0;
}

// 将“pval”插入到表头位置
int dlink_insert_first(void *pval)
{
    node *pnode=create_node(pval);
    if (!pnode)
        return -1;

    pnode->prev = phead;
    pnode->next = phead->next;
    phead->next->prev = pnode;
    phead->next = pnode;
    count++;
    return 0;
}

// 将“pval”插入到末尾位置
int dlink_append_last(void *pval)
{
    node *pnode=create_node(pval);
    if (!pnode)
        return -1;

    pnode->next = phead;
    pnode->prev = phead->prev;
    phead->prev->next = pnode;
    phead->prev = pnode;
    count++;
    return 0;
}

// 删除“双向链表中index位置的节点”。成功，返回0；否则，返回-1。
int dlink_delete(int index)
{
    node *pindex=get_node(index);
    if (!pindex)
    {
        printf("%s failed! the index in out of bound!\n", __func__);
        return -1;
    }

    pindex->next->prev = pindex->prev;
    pindex->prev->next = pindex->next;
    free(pindex);
    count--;

    return 0;
}

// 删除第一个节点
int dlink_delete_first()
{
    return dlink_delete(0);
}

// 删除组后一个节点
int dlink_delete_last()
{
    return dlink_delete(count-1);
}

// 撤销“双向链表”。成功，返回0；否则，返回-1。
int destroy_dlink()
{
    if (!phead)
    {
        printf("%s failed! dlink is null!\n", __func__);
        return -1;
    }

    node *pnode=phead->next;
    node *ptmp=NULL;
    while(pnode != phead)
    {
        ptmp = pnode;
        pnode = pnode->next;
        free(ptmp);
    }

    free(phead);
    phead = NULL;
    count = 0;

    return 0;
}

双向链表测试程序(dlink_test.c)

#include 
#include "double_link.h"

/**
 * C 语言实现的双向链表的测试程序。
 *
 * (01) int_test()
 *      演示向双向链表操作“int数据”。
 * (02) string_test()
 *      演示向双向链表操作“字符串数据”。
 * (03) object_test()
 *      演示向双向链表操作“对象”。
 *
 * @author skywang
 * @date 2013/11/07
 */

// 双向链表操作int数据
void int_test()
{
    int iarr[4] = {10, 20, 30, 40};

    printf("\n----%s----\n", __func__);
    create_dlink();        // 创建双向链表

    dlink_insert(0, &iarr[0]);    // 向双向链表的表头插入数据
    dlink_insert(0, &iarr[1]);    // 向双向链表的表头插入数据
    dlink_insert(0, &iarr[2]);    // 向双向链表的表头插入数据

    printf("dlink_is_empty()=%d\n", dlink_is_empty());    // 双向链表是否为空
    printf("dlink_size()=%d\n", dlink_size());            // 双向链表的大小

    // 打印双向链表中的全部数据
    int i;
    int *p;
    int sz = dlink_size();
    for (i=0; ivalue = t;
            this->prev  = prev;
            this->next  = next;
           }
};

template
class DoubleLink
{
    public:
        DoubleLink();
        ~DoubleLink();

        int size();
        int is_empty();

        T get(int index);
        T get_first();
        T get_last();

        int insert(int index, T t);
        int insert_first(T t);
        int append_last(T t);

        int del(int index);
        int delete_first();
        int delete_last();

    private:
        int count;
        DNode *phead;
    private:
        DNode *get_node(int index);
};

template
DoubleLink::DoubleLink() : count(0)
{
    // 创建“表头”。注意：表头没有存储数据！
    phead = new DNode();
    phead->prev = phead->next = phead;
    // 设置链表计数为0
    //count = 0;
}

// 析构函数
template
DoubleLink::~DoubleLink()
{
    // 删除所有的节点
    DNode* ptmp;
    DNode* pnode = phead->next;
    while (pnode != phead)
    {
        ptmp = pnode;
        pnode=pnode->next;
        delete ptmp;
    }

    // 删除"表头"
    delete phead;
    phead = NULL;
}

// 返回节点数目
template
int DoubleLink::size()
{
    return count;
}

// 返回链表是否为空
template
int DoubleLink::is_empty()
{
    return count==0;
}

// 获取第index位置的节点
template
DNode* DoubleLink::get_node(int index)
{
    // 判断参数有效性
    if (index=count)
    {
        cout prev;
    while (j++ < rindex) {
        prindex = prindex->prev;
    }

    return prindex;
}

// 获取第index位置的节点的值
template
T DoubleLink::get(int index)
{
    return get_node(index)->value;
}

// 获取第1个节点的值
template
T DoubleLink::get_first()
{
    return get_node(0)->value;
}

// 获取最后一个节点的值
template
T DoubleLink::get_last()
{
    return get_node(count-1)->value;
}

// 将节点插入到第index位置之前
template
int DoubleLink::insert(int index, T t)
{
    if (index == 0)
        return insert_first(t);

    DNode* pindex = get_node(index);
    DNode* pnode  = new DNode(t, pindex->prev, pindex);
    pindex->prev->next = pnode;
    pindex->prev = pnode;
    count++;

    return 0;
}

// 将节点插入第一个节点处。
template
int DoubleLink::insert_first(T t)
{
    DNode* pnode  = new DNode(t, phead, phead->next);
    phead->next->prev = pnode;
    phead->next = pnode;
    count++;

    return 0;
}

// 将节点追加到链表的末尾
template
int DoubleLink::append_last(T t)
{
    DNode* pnode = new DNode(t, phead->prev, phead);
    phead->prev->next = pnode;
    phead->prev = pnode;
    count++;

    return 0;
}

// 删除index位置的节点
template
int DoubleLink::del(int index)
{
    DNode* pindex = get_node(index);
    pindex->next->prev = pindex->prev;
    pindex->prev->next = pindex->next;
    delete pindex;
    count--;

    return 0;
}

// 删除第一个节点
template
int DoubleLink::delete_first()
{
    return del(0);
}

// 删除最后一个节点
template
int DoubleLink::delete_last()
{
    return del(count-1);
}

#endif

双向链表测试文件(DlinkTest.cpp)

#include 
#include "DoubleLink.h"
using namespace std;

// 双向链表操作int数据
void int_test()
{
    int iarr[4] = {10, 20, 30, 40};

    cout append_last(10);    // 将 10 追加到链表末尾
    pdlink->insert_first(30);    // 将 30 插入到第一个位置

    // 双向链表是否为空
    cout