1. 链表是什么 #

链表又称单链表、链式存储结构，用于存储逻辑关系为“一对一”的数据。
和顺序表不同，使用链表存储数据，不强制要求数据在内存中集中存储，各个元素可以分散存储在内存中。例如，使用链表存储 {1,2,3}，各个元素在内存中的存储状态可能是：

可以看到，数据不仅没有集中存放，在内存中的存储次序也是混乱的。那么，链表是如何存储数据间逻辑关系的呢？
链表存储数据间逻辑关系的实现方案是：为每一个元素配置一个指针，每个元素的指针都指向自己的直接后继元素，如下图所示：

显然，我们只需要记住元素 1 的存储位置，通过它的指针就可以找到元素 2，通过元素 2 的指针就可以找到元素 3，以此类推，各个元素的先后次序一目了然。
像图 2 这样，数据元素随机存储在内存中，通过指针维系数据之间“一对一”的逻辑关系，这样的存储结构就是链表。

2. 结点（节点） #

很多教材中，也将“结点”写成“节点”，它们是一个意思。
在链表中，每个数据元素都配有一个指针，这意味着，链表上的每个“元素”都长下图这个样子：

数据域用来存储元素的值，指针域用来存放指针。数据结构中，通常将上图这样的整体称为结点。
也就是说，链表中实际存放的是一个一个的结点，数据元素存放在各个结点的数据域中。举个简单的例子，图 2 中 {1,2,3} 的存储状态用链表表示，如下图所示：

在 C 语言中，可以用结构体表示链表中的结点，例如：

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;

我们习惯将结点中的指针命名为 next，因此指针域又常称为“Next 域”。

3. 头结点、头指针和首元结点 #

图 4 所示的链表并不完整，一个完整的链表应该由以下几部分构成：
1. 头指针：一个和结点类型相同的指针，它的特点是：永远指向链表中的第一个结点。上文提到过，我们需要记录链表中第一个元素的存储位置，就是用头指针实现。
2. 结点：链表中的节点又细分为头结点、首元结点和其它结点：

• 头结点：某些场景中，为了方便解决问题，会故意在链表的开头放置一个空结点，这样的结点就称为头结点。也就是说，头结点是位于链表开头、数据域为空（不利用）的结点。
• 首元结点：指的是链表开头第一个存有数据的结点。
• 其他节点：链表中其他的节点。

也就是说，一个完整的链表是由头指针和诸多个结点构成的。每个链表都必须有头指针，但头结点不是必须的。
例如，创建一个包含头结点的链表存储 {1,2,3}，如下图所示：

再次强调，头指针永远指向链表中的第一个结点。换句话说，如果链表中包含头结点，那么头指针指向的是头结点，反之头指针指向首元结点。

4. 单链表 #

单链表的创建 #

创建一个链表，实现步骤如下：

1. 定义一个头指针；
2. 创建一个头结点或者首元结点，让头指针指向它；
3. 每创建一个结点，都令其直接前驱结点的指针指向它。

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

Link* initLink() {
    int i;
    //1、创建头指针
    Link* p = NULL;
    //2、创建首元结点
    Link* temp = (Link*)malloc(sizeof(Link));
    temp->elem = 1;
    temp->next = NULL;
    //头指针指向首元结点
    p = temp;
    //3、每创建一个结点，都令其直接前驱结点的指针指向它
    for (i = 2; i < 5; i++) {
        //创建一个结点
        Link* a = (Link*)malloc(sizeof(Link));
        a->elem = i;
        a->next = NULL;
        //每次 temp 指向的结点就是 a 的直接前驱结点
        temp->next = a;
        //temp指向下一个结点（也就是a),为下次添加结点做准备
        temp = temp->next;
    }
    return p;
}

再比如，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() {
    int i;
    //1、创建头指针
    Link* p = NULL;
    //2、创建头结点
    Link* temp = (Link*)malloc(sizeof(Link));
    temp->elem = 0;
    temp->next = NULL;
    //头指针指向头结点
    p = temp;
    //3、每创建一个结点，都令其直接前驱结点的指针指向它
    for (i = 1; i < 5; i++) {
        //创建一个结点
        Link* a = (Link*)malloc(sizeof(Link));
        a->elem = i;
        a->next = NULL;
        //每次 temp 指向的结点就是 a 的直接前驱结点
        temp->next = a;
        //temp指向下一个结点（也就是a),为下次添加结点做准备
        temp = temp->next;
    }
    return p;
}

单链表的使用 #

对于创建好的链表，我们可以依次获取链表中存储的数据，例如：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
//链表中节点的结构
typedef struct link {
    int  elem;
    struct link* next;
}Link;
Link* initLink() {
    int i;
    //1、创建头指针
    Link* p = NULL;
    //2、创建头结点
    Link* temp = (Link*)malloc(sizeof(Link));
    temp->elem = 0;
    temp->next = NULL;
    //头指针指向头结点
    p = temp;
    //3、每创建一个结点，都令其直接前驱结点的指针指向它
    for (i = 1; i < 5; i++) {
        //创建一个结点
        Link* a = (Link*)malloc(sizeof(Link));
        a->elem = i;
        a->next = NULL;
        //每次 temp 指向的结点就是 a 的直接前驱结点
        temp->next = a;
        //temp指向下一个结点（也就是a),为下次添加结点做准备
        temp = temp->next;
    }
    return p;
}
void display(Link* p) {
    Link* temp = p;//temp指针用来遍历链表
    //只要temp指向结点的next值不是NULL，就执行输出语句。
    while (temp) {
        Link* f = temp;//准备释放链表中的结点
        printf("%d ", temp->elem);
        temp = temp->next;
        free(f);
    }
    printf("\n");
}
int main() {
    Link* p = NULL;
    printf("初始化链表为：\n");
    //创建链表{1,2,3,4}
    p = initLink();
    //输出链表中的数据
    display(p);
    return 0;
}

程序中创建的是带头结点的链表，头结点的数据域存储的是元素 0，因此最终的输出结果为：
0 1 2 3 4
如果不想输出头结点的值，可以将 p->next 作为实参传递给 display() 函数。
如果程序中创建的是不带头结点的链表，最终的输出结果应该是：
1 2 3 4

5. 双向链表 #

目前我们所学到的链表，无论是动态链表还是静态链表，表中各个节点都只包含一个指针（游标），且都统一指向直接后继节点，这类链表又统称为单向链表或单链表。
虽然单链表能 100% 存储逻辑关系为 “一对一” 的数据，但在解决某些实际问题时，单链表的执行效率并不高。例如，若实际问题中需要频繁地查找某个结点的前驱结点，使用单链表存储数据显然没有优势，因为单链表的强项是从前往后查找目标元素，不擅长从后往前查找元素。
解决此类问题，可以建立双向链表（简称双链表）。
从名字上理解双向链表，即链表是 “双向” 的，如下图所示：

“双向”指的是各节点之间的逻辑关系是双向的，头指针通常只设置一个。
从上图中可以看到，双向链表中各节点包含以下 3 部分信息（如下图所示）：

1. 指针域：用于指向当前节点的直接前驱节点；
2. 数据域：用于存储数据元素。
3. 指针域：用于指向当前节点的直接后继节点；

因此，双链表的节点结构用 C 语言实现为：

typedef struct line{
    struct line * prior; //指向直接前趋
    int data;
    struct line * next; //指向直接后继
}Line;

双向链表的创建 #

同单链表相比，双链表仅是各节点多了一个用于指向直接前驱的指针域。因此，我们可以在单链表的基础轻松实现对双链表的创建。
需要注意的是，与单链表不同，双链表创建过程中，每创建一个新节点都要与其前驱节点建立两次联系，分别是：

• 将新节点的 prior 指针指向直接前驱节点；
• 将直接前驱节点的 next 指针指向新节点；

这里给出创建双向链表的 C 语言实现代码：

Line* initLine(Line* head) {
    Line* list = NULL;
    head = (Line*)malloc(sizeof(Line));//创建链表第一个结点（首元结点）
    head->prior = NULL;
    head->next = NULL;
    head->data = 1;
    list = head;
    for (int i = 2; i <= 5; i++) {
        //创建并初始化一个新结点
        Line* body = (Line*)malloc(sizeof(Line));
        body->prior = NULL;
        body->next = NULL;
        body->data = i;
        //直接前趋结点的next指针指向新结点
        list->next = body;
        //新结点指向直接前趋结点
        body->prior = list;
        list = list->next;
    }
    return head;
}

双向链表的使用 #

我们可以尝试着在 main 函数中输出创建的双链表，C 语言代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct line {
    struct line* prior; //指向直接前趋
    int data;
    struct line* next; //指向直接后继
}Line;

Line* initLine(Line* head) {
    int i;
    Line* list = NULL;
    head = (Line*)malloc(sizeof(Line));//创建链表第一个结点（首元结点）
    head->prior = NULL;
    head->next = NULL;
    head->data = 1;
    list = head;
    for (i = 2; i <= 5; i++) {
        //创建并初始化一个新结点
        Line* body = (Line*)malloc(sizeof(Line));
        body->prior = NULL;
        body->next = NULL;
        body->data = i;
        //直接前趋结点的next指针指向新结点
        list->next = body;
        //新结点指向直接前趋结点
        body->prior = list;
        list = list->next;
    }
    return head;
}
//输出链表中的数据
void display(Line* head) {
    Line* temp = head;
    while (temp) {
        //如果该节点无后继节点，说明此节点是链表的最后一个节点
        if (temp->next == NULL) {
            printf("%d\n", temp->data);
        }
        else {
            printf("%d <-> ", temp->data);
        }
        temp = temp->next;
    }
}
//释放链表中结点占用的空间
void free_line(Line* head) {
    Line* temp = head;
    while (temp) {
        head = head->next;
        free(temp);
        temp = head;
    }
}

int main()
{
    //创建一个头指针
    Line* head = NULL;
    //调用链表创建函数
    head = initLine(head);
    //输出创建好的链表
    display(head);
    //显示双链表的优点
    printf("链表中第 4 个节点的直接前驱是：%d", head->next->next->next->prior->data);
    free_line(head);
    return 0;
}

程序运行结果：
1 <-> 2 <-> 3 <-> 4 <-> 5
链表中第 4 个节点的直接前驱是：3