周立功阐释高效的双向链表如何用

UtFs_Zlgmcu7890 2017-09-25 6478

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近日周立功教授公开了数年的心血之作《程序设计与数据结构》，电子版已无偿性分享到电子工程师与高校群体下载，经周立功教授授权，特对本书内容进行连载。

>>>> 1.1.1 添加结点

假定还是将结点添加到链表尾部，其函数原型为：

int dlist_add_tail(dlist_head_t *p_head, dlist_node_t *p_node);

其中，p_head为指向链表头结点的指针，p_node为指向待添加结点的指针，其使用范例详见程序清单3.38。

程序清单3.38 dlist_add_tail()函数使用范例

1 int main(int argc, char *argv[])

2 {

3 dlist_head_t head;

4 dlist_node_t node;

6 dlist_init(&head);

7 dlist_add_tail(&head, &node);

8 // ……

9 }

为了实现该函数，可以先查看添加结点前后链表的变化，详见图3.18。

周立功

图3.18 添加结点示意图

由此可见，添加一个结点至链表尾部，需要4个指针（图中虚线箭头）：

● 新结点的p_prev指向尾结点；

● 新结点的p_next指向头结点；

● 尾结点的p_next由指向头结点变为指

向新结点；

● 头结点的p_prev由指向尾结点修改为指向新结点。

通过这些操作后，当结点添加到链表尾部后，就成为了新的尾结点，详见程序清单3.39。

程序清单3.39 dlist_add_tail()函数实现

1 int dlist_add_tail (dlist_head_t *p_head, dlist_node_t *p_node)

2 {

3 if (p_head == NULL){

4 return -1;

5 }

6 p_node -> p_prev = p_head->p_prev; // 新结点的p_prev指向尾结点

7 p_node -> p_next = p_head; // 新结点的p_next指向头结点

8 p_head -> p_prev->p_next = p_node; // 尾结点的p_next指向新结点

9 p_head -> p_prev = p_node; // 头结点的p_prev指向新结点

10 return 0;

11 }

实际上循环链表，无论是头结点、尾结点还是普通结点，其本质上都是一样的，均为p_next成员指向下一个结点，p_prev成员指向其上一个结点。因此，对于添加结点而言，无论将结点添加到链表头、链表尾还是其它任意位置，其操作方法完全相同。为此，需要提供一个更加通用的函数，可以将结点添加到任意结点之后，其函数原型为：

int dlist_add (dlist_head_t *p_head, dlist_node_t *p_pos, dlist_node_t *p_node);

其中，p_head为指向链表头结点的指针，p_pos指定了添加的位置，新结点即添加在该指针指向的结点之后；p_node为指向待添加结点的指针。比如，同样将结点添加到链表尾部，其使用范例详见程序清单3.40。

程序清单3.40 dlist_add()函数使用范例

1 int main(int argc, char *argv[])

2 {

3 dlist_head_t head;

4 dlist_node_t node;

6 dlist_init(&head);

7 dlist_add(&head, &(head.p_prev), &node);

8 // ……

9 }

由此可见，将尾结点作为结点添加的位置，同样可以将结点添加至尾结点之后，即添加到链表尾部。显然，也就没有必要再编写dlist_add_tail()实现代码了，使用dlisd_add()即可，修改dlist_add_tail()函数的实现，详见程序清单3.41。

程序清单3.41 dlist_add_tail()函数实现

1 int dlist_add_tail (dlist_head_t *p_head, dlist_node_t *p_node)

2 {

3 return dlist_add(p_head, p_head->p_prev, p_node);

4 }

为了实现dlist_add()函数，可以先查看添加一个结点到任意结点之后的情况，详见图3.19。图中展示的是一种通用的情况，由于结点的添加位置（头、尾或其它任意位置）与添加结点的方法没有关系，因此没有特别标明头结点和尾结点。

其实，对比图3.18和图3.19可以发现，图3.18展示的只是图3.19的一个特例，即恰好图3.19中的新结点之前的结点就是尾结点，添加结点的过程同样需要修改4个指针的值。为便于描述，将新结点前的结点称之为前结点，新结点之后的结点称之为后结点。显然，在添加新结点之前，前结点的下一个结点即为后结点。对设置4个指针值的描述如下：

● 新结点的p_prev指向前结点；

● 新结点的p_next指向后结点；

● 前结点的p_next由指向后结点变为指向新结点；

● 后结点的p_prev由指向前结点修改为指向新结点。

对比将结点添加到链表尾部的描述，只要将描述中的“前结点”换为“尾结点”，“后结点”换为“头结点”，它们的含义则完全一样，显然将结点添加到链表尾部只是这里的一个特例，添加结点的函数实现详见程序清单3.42。

程序清单3.42 dlist_add()函数实现

1 int dlist_add (dlist_head_t *p_head, dlist_node_t *p_pos, dlist_node_t *p_node)

2 {

3 if ((p_head == NULL) || (p_pos == NULL) || (p_node == NULL)){

4 return -1;

5 }

6 p_node->p_prev = p_pos; // 新结点的p_prev指向前结点

7 p_node->p_next = p_pos->p_next; // 新结点的p_next指向后结点

8 p_pos->p_next->p_prev = p_node; // 后结点的p_prev指向新结点

9 p_pos->p_next = p_node; // 前结点的p_next指向新结点

10 return 0;

11 }

尽管上面的函数在实现时并没有用到参数p_head，但还是将p_head参数传进来了，因为实现其它的功能时将会用到p_head参数，比如，判断p_pos是否在链表中。

有了该函数，添加结点到任意位置就非常灵活了，比如，提供一个添加结点到链表的头部，使其作为链表的第一个结点的函数，其函数原型为：

int dlist_add_head (dlist_head_t *p_head, dlist_node_t *p_node);

此时，头结点即为新添加结点的前结点，直接调用dlist_add()即可实现，其实现范例详见程序清单3.43。

程序清单3.43 dlist_add_head()函数实现

1 int dlist_add_head (dlist_head_t *p_head, dlist_node_t *p_node)

2 {

3 return dlist_add(p_head, p_head, p_node);

4 }

>>>> 1.1.2 删除结点

基于添加结点到任意位置的思想，需要实现一个删除任意结点的函数。其函数原型为：

int dlist_del (dlist_head_t *p_head, dlist_node_t *p_node);

其中，p_head为指向链表头结点的指针， p_node为指向待删除结点的指针，使用范例详见程序清单3.44。

程序清单3.44 dlist_del()使用范例程序

1 int main(int argc, char *argv[])

2 {

3 dlist_head_t head;

4 dlist_node_t node;

5 dlist_init(&head);

6 dlist_add_tail(&head, &node);

7 dlist_del(&head, &node);

8 //......

9 return 0;

10 }

为了实现dlisd_del()函数，可以先查看删除任意结点的示意图，图 3.20（1）为删除节点前的示意图，图 3.20（2）为删除节点后的示意图。

周立功

图 3.20添加结点示意图

由此可见，仅需要修改两个指针的值：

● 将“删除结点”的前结点的p_next修改为指向“删除结点”的后结点；

● 将“删除结点”的后结点的p_prev修改为指向“删除结点”的前结点。

删除结点函数的实现详见程序清单3.45。

程序清单3.45 dlist_del()函数实现

1 int dlist_del (dlist_head_t *p_head, dlist_node_t *p_node)

2 {

3 if ((p_head == NULL) || (p_node == NULL) || (p_node == p_head)){

4 return -1;

5 }

6 p_node->p_prev->p_next = p_node->p_next; // 前结点的p_next修改为指向后结点

7 p_node->p_next->p_prev = p_node->p_prev; // 后结点的p_prev修改为指向前结点

9 p_node->p_next = NULL;

10 p_node->p_prev = NULL;

11 return 0;

12 }

为了防止删除头结点，程序中对p_head与p_node进行了比较，当p_node为头结点时，则直接返回错误。

>>>> 1.1.3 遍历链表

与单向链表类似，需要一个遍历链表各个结点的函数，其函数原型（dlist.h）为：

int dlist_foreach (dlist_head_t *p_head,

dlist_node_process_t pfn_node_process,

void *p_arg);

其中，p_head指向链表头结点，pfn_node_process为结点处理回调函数，每遍历到一个结点时，均会调用该函数，便于用户处理结点。dlist_node_process_t类型定义如下：

typedef int (*dlist_node_process_t) (void *p_arg, dlist_node_t *p_node);

dlist_node_process_t类型参数为一个p_arg指针和一个结点指针，返回值为int类型的函数指针。每遍历到一个结点均会调用pfn_node_process指向的函数，便于用户根据需要自行处理结点数据。当调用该回调函数时，传递给p_arg的值即为用户参数，其值与dlist_traverse()函数的第3个参数一样，即该参数的值完全是由用户决定的；传递给p_node 的值即为指向当前遍历到的结点的指针。当遍历到某个结点时，如果用户希望终止遍历，此时，只要在回调函数中返回负值即可终止继续遍历。一般地，若要继续遍历，则函数执行结束后返回0即可。dlist_foreach()函数的实现详见程序清单3.46。

程序清单3.46 链表遍历函数的实现

1 int dlist_foreach (dlist_head_t *p_head,

2 dlist_node_process_t pfn_node_process,

3 void *p_arg)

4 {

5 dlist_node_t *p_tmp, *p_end;

6 int ret;

8 if ((p_head == NULL) || (pfn_node_process == NULL)) {

9 return -1;

10 }

12 p_tmp = dlist_begin_get(p_head);

13 p_end = dlist_end_get(p_head);

15 while (p_tmp != p_end) {

16 ret = pfn_node_process(p_arg, p_tmp);

17 if (ret < 0) { // 不再继续遍历

18 return ret;

19 }

20 p_tmp = dlist_next_get(p_head, p_tmp); // 继续下一个结点

21 }

22 return 0;

23 }

为了便于查阅，如程序清单3.47所示展示了dlist.h文件的内容。

程序清单3.47 dlist.h文件内容

1 #ipragma once

2 #include

3 #include

5 typedef struct _dlist_node{

6 struct _dlist_node *p_next; // 指向下一个结点的指针

7 struct _dlist_node *p_prev; // 指向下一个结点的指针

8 }dlist_node_t;

10 typedef dlist_node_t dlist_head_t;

12 // 链表遍历时的回调函数类型

13 typedef int (*dlist_node_process_t) (void *p_arg, dlist_node_t *p_node);

15 int dlist_init (dlist_head_t *p_head); // 链表初始化

17 int dlist_add (dlist_head_t *p_head, dlist_node_t *p_pos, dlist_node_t *p_node); // 添加结点至指定位置

18 int dlist_add_tail(dlist_head_t *p_head, dlist_node_t *p_node); // 添加结点至链表尾部

19 int dlist_add_head (dlist_head_t *p_head, dlist_node_t *p_node); // 添加结点至链表头部

20 int dlist_del (dlist_head_t *p_head, dlist_node_t *p_node); // 删除一个结点

22 dlist_node_t *dlist_prev_get (dlist_head_t *p_head, dlist_node_t *p_pos); // 寻找某一结点的前一结点

23 dlist_node_t *dlist_next_get (dlist_head_t *p_head, dlist_node_t *p_pos); // 寻找某一结点的后一结点

24 dlist_node_t *dlist_tail_get (dlist_head_t *p_head); // 获取尾结点

25 dlist_node_t *dlist_begin_get (dlist_head_t *p_head); // 获取开始位置，第一个用户结点

26 dlist_node_t *dlist_end_get (dlist_head_t *p_head); // 获取结束位置，尾结点下一个结点的位置

28 int dlist_foreach (dlist_head_t *p_head,

29 dlist_node_process_t pfn_node_process,

30 void *p_arg);

同样以int类型数据为例，来展示这些接口的使用方法。为了使用链表，首先应该定义一个结构体，将链表结点作为其一个成员，此外，再添加一些应用相关的数据，如定义如下包含链表结点和int型数据的结构体：

typedef struct _dlist_int{

dlist_node_t node; // 包含链表结点

int data; // int类型数据

}dlist_int_t;

综合范例程序详见程序清单3.48。

程序清单3.48 综合范例程序

1 #include

2 #include "dlist.h"

4 typedef struct _dlist_int{

5 dlist_node_t node; // 包含链表结点

7 int data; // int类型数据

8 }dlist_int_t;

10 int list_node_process (void *p_arg, dlist_node_t *p_node)

11 {

12 printf("%d ", ((dlist_int_t *)p_node) -> data);

13 return 0;

14 }

16 int main(int argc, char *argv[])

17 {

18 dlist_head_t head; // 定义链表头结点

19 dlist_int_t node1, node2, node3;

20 dlist_init(&head);

22 node1.data = 1;

23 dlist_add_tail(&head, &(node1.node));

24 node2.data = 2;

25 dlist_add_tail(&head, &(node2.node));

26 node3.data = 3;

27 dlist_add_tail(&head, &(node3.node));

29 dlist_del(&head, &(node2.node)); // 删除node2结点

30 dlist_foreach(&head, list_node_process, NULL); // 遍历链表，用户参数为NULL

31 return 0;

32 }

与单向链表的综合范例程序比较可以发现，程序主体是完全一样的，仅仅是各个结点的类型发生了改变。对于实际的应用，如果由使用单向链表升级为双向链表，虽然程序主体没有发生改变，但由于类型的变化，则不得不修改所有程序代码。这是由于应用与具体数据结构没有分离造成的，因此可以进一步将实际应用与具体的数据结构分离，将链表等数据结构抽象为“容器”的概念。

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