# 0x00 什么是链表
链表可以说是一种最为基础的数据结构了，而单向链表更是基础中的基础。链表是由一组元素以特定的顺序组合或链接在一起的，不同元素之间在逻辑上相邻，但是在物理上并不一定相邻。在维护一组数据集合时，就可以使用链表，这一点和数组很相似。但是，链表有着数组所不具有的优势。一方面，链表在执行插入删除操作时拥有更高的效率；另一方面，链表是在堆区动态的开辟存储空间，而大多数的数据在编译时大小并不能确定，因此这种动态开辟空间的特性也可以说是链表的一个优点。
# 0x01 链表的应用
- 多项式计算
- 滚动列表
- 邮件列表
- 文件的链式分配
- 内存管理
……
# 0x02 单向链表初见
就像图像所示，单向链表各个元素之间通过一个指针先后链接起来。每个元素包含两个部分，分别是数据域和指针域。前一个元素通过next指针指向后一个元素，链表的开始的元素为链表头，即head指针所指，链表结束的元素为链表尾，尾部元素的next指针指向NULL。可见，单向链表为线性结构。
若想访问链表中的一个元素，我们只能从链表的头部开始，顺着指针指向逐查找。如果从链表头移动到指定的元素，而这时候我们又想访问当前元素之前的某个元素，这时候只能从头在次遍历链表。这相比数组能够通过下标直接访问要麻烦的多，不过我们应该根据不同的应用场景选择数组还是链表，它们只有在对的地方才能发挥出巨大的威力。
# 0x03 单向链表的操作
### 0x00 链表结构
```c
typedef struct node//链表元素的结构
{
void *data;//节点中的数据域，设置为无类型指针，数据类型大小由使用者定义
struct node *next;//指向下一节点的指针
}Node;
typedef struct list//链表的结构
{
int size;//链表中节点个数
void (*destroy)(void *data);//由于链表节点中的数据是用户自定义的，故需要调用者提供释放空间的函数
void (*print_data)(const void *data);//同，由用户自定义打印数据的函数
int (*match)(const void *key1, const void *key2);//同，由用户自定义数据的比较方式
Node *head;//记录链表的头部位置
Node *tail;//记录链表的尾部位置
}List;
```
示意图如下：
### 0x01 接口
下面是链表操作函数的接口，以及简单介绍：
```c
extern void list_init(List *list, void (*destroy)(void *data), void (*print_data)(const void *data), \
int (*match)(const void *key1, const void *key2));//初始化一个链表
extern int list_ins_head(List *list, const void *data);//链表的插入，将节点从头部插入
extern int list_ins_tail(List *list, const void *data);//链表的插入，将节点从尾部插入
extern int list_ins_sort(List *list, const void *data);//链表的插入，插入后链表是一个有序的链表
extern void* list_search(List *list, const void *data);//在链表中查找指定数据，若找到返回数据的地址
extern void* list_remove(List *list, const void *data);//在链表中删除指定数据，若找到删除节点并将数据地址返回
extern void list_reverse(List *list);//将链表逆置
extern void list_sort(List *list);//将链表按照一定方式排序
extern void print_list(List *list);//打印链表
extern void list_destroy(List *list);//删除整个链表
#define list_size(list) (list->size) //返回链表节点个数
```
### 0x02 list_init
使用list_init函数初始化一个链表，以便链表的其他操作。
```c
void list_init(List *list, void (*destroy)(void *data), void (*print_data)(const void *data), \
int (*match)(const void *key1, const void *key2))
{
list->size = 0;//初始时，链表没有节点，设置为0
list->head = NULL;//头和尾置空
list->tail = NULL;
list->match = match;//初始化链表的成员函数
list->destroy = destroy;
list->print_data = print_data;
return;
}
```
### 0x03 list_ins_head
使用list_ins_head函数，在链表的头部插入数据。示意图如下：
从示意图可以看出，单向链表的部插入逻辑非常简单。仔细观察，标绿的部分代码有重复，可以优化
```c
/*在链表的头部插入数据*/
int list_ins_head(List *list, const void *data)
{
Node *new_node = (Node *)calloc(1, sizeof (Node)); //创建插入的节点
if(new_node == NULL)
return -1;
new_node->data = (void *)data;//关联节点与数据
/*
if(list_size(list) == 0)//链表为空时，插入节点
{
list->tail = new_node;
new_node->next = NULL;
list->head = new_node;
}
else //链表非空时将节点插入头部
{
new_node->next = list->head;
list->head = new_node;
}
*/
if(list_size(list) == 0)//链表为空时，插入节点
list->tail = new_node;
new_node->next = list->head;
list->head = new_node;
list->size ++;//维护链表size属性
return 0;
}
```
### 0x04 list_ins_tail
使用list_ins_tail函数，在链表的尾部插入数据，示意图如下：
```c
/*在链表的尾部插入数据*/
int list_ins_tail(List *list, const void *data)
{
Node *new_node = (Node *)calloc(1, sizeof (Node)); //创建插入的节点
if(new_node == NULL)
return -1;
new_node->data = (void *)data;//关联节点与数据
if(list_size(list) == 0)
list->head = new_node;
else
list->tail->next = new_node;
list->tail = new_node;
new_node->next = NULL;
list->size ++;
return 0;
}
```
### 0x05 list_ins_sort
使用list_ins_sort函数，进行链表的有序插入。
链表的有序插入大致可以分为两种情况：
其一，链表为空时直接插入;
其二，链表非空时，在此时又分为三种小情况;
1. 在链表头部插入
2. 在链表中部插入
3. 在链表尾部插入
链表为空时，操作方法和头尾部插入类似。链表非空时，我们需要先寻找到插入位置，然后在将数据插入链表。
在此之前我们已经了解了如何在链表的头部和尾部插入元素，那么，现在唯一需要处理的便是 **在链表中部插入节点** ，这是链表插入操作的核心。
注意：在链表中部插入节点时，必须得到前一节点的位置，即图中指向蓝色节点的指针p_pre.
插入节点的逻辑了解后，处理在非空链表情况下插入节点就清晰多了。
```c
/*在链表的有序插入数据*/
int list_ins_sort(List *list, const void *data)
{
Node *new_node = (Node *)calloc(1, sizeof (Node)); //创建插入的节点
if(new_node == NULL)
return -1;
new_node->data = (void *)data;//关联节点与数据
if(list_size(list) == 0)//链表为空时，插入节点
{
list->tail = new_node;
new_node->next = NULL;
list->head = new_node;
}
else//链表非空
{
Node *p_cur = list->head;
Node *p_pre = list->head;
while(p_cur != NULL && list->match(new_node->data, p_cur->data) > 0)//查找链表的插入位置
{
p_pre = p_cur;
p_cur = p_cur->next;
}
if(p_cur != NULL)//插入位置在头部和中间时
{
if(p_cur == list->head)//插入位置在头部
{
new_node->next = list->head;
list->head = new_node;
}
else//位置在链表中间
{
new_node->next = p_pre->next;
p_pre->next = new_node;
}
}
else//插入位置在链表尾部
{
list->tail->next = new_node;
list->tail = new_node;
new_node = NULL;
}
}
list->size ++;
return 0;
}
```
### 0x06 list_search
使用list_search函数，查找链表中与数据匹配的节点，并返回节点指针。
此处查找逻辑与list_ins_sort中的查找逻辑基本类似，不做赘述。
```c
/*查找链表中与数据匹配的节点，并返回节点指针*/
void* list_search(List *list, const void *data)
{
if(list_size(list) == 0)
{
printf("list is empty\n");
return NULL;
}
else
{
Node *p_cur = list->head;
while(p_cur != NULL && list->match(p_cur->data, data) != 0)//查找数据在链表中的位置
p_cur = p_cur->next;
if(p_cur != NULL)//找到返回数据地址，否则返回NULL
return p_cur->data;
else
return NULL;
}
}
```
### 0x07 list_remove
使用list_remove函数，删除节点，并将节点中的数据返回，交由用户处理。
此处查找逻辑与list_ins_sort中的查找逻辑基本类似，不做赘述。
和插入节点中分为头部、中部尾部类似，删除也分为头中尾部。
**删除头部节点**
不过删除头部节点时需要注意一点，就是当链表仅有一个节点时，我们需要维护一下tail指针。
**删除中部节点**
**删除尾部节点**
注意：代码中将中部与尾部的删除进行了合并。
```c
/*删除指定数据的节点*/
void* list_remove(List *list, const void *data)
{
void *old_data = NULL;
Node *p_cur = list->head;
Node *p_pre = list->head;
while (p_cur != NULL && list->match(p_cur->data, data) !=0)
{
p_pre = p_cur;
p_cur = p_cur->next;
}
if(p_cur != NULL && list->match(p_cur->data, data) ==0)//删除位置在头部和中间时
{
if(p_cur == list->head)//删除位置在头部
{
list->head = p_cur->next;
if(p_cur->next == NULL)
list->tail = NULL;
}
else//中部时或尾部
{
p_pre->next = p_cur->next;
if(p_cur->next == NULL)//判断是否为尾部
list->tail = p_pre;
}
old_data = p_cur->data;
free(p_cur);
list->size --;
}
return old_data;
}
```
### 0x08 list_reverse
使用list_reverse函数将链表逆置。
逆置过程：
观察可以发现，逆置的过程本质上就是将原来的链表逐个摘下头节点，插入逆置后的链表的头部
```c
void list_reverse(List *list)
{
if(list_size(list) != 0)
{
Node *p_pre = list->head;
Node *p_cur = list->head->next;
list->head->next = NULL;
list->tail = list->head;
while(p_cur!= NULL)
{
p_pre = p_cur;
p_cur = p_cur->next;
p_pre->next = list->head;
list->head = p_pre;
}
}
return;
}
```
### 0x09 list_sort
使用list_sort函数对链表进行排序，此处使用选择排序法。
```c
void list_sort(List *list)
{
if(list_size(list) != 0)
{
Node *p_i = list->head;
while(p_i->next != NULL)
{
Node *p_min = p_i;
Node *p_j = p_min->next;
while (p_j != NULL)
{
if(list->match(p_min->data, p_j->data) > 0)
p_min = p_j;
p_j = p_j->next;
}
if(p_min != p_i)
{
void *data = p_i->data;
p_i->data = p_min->data;
p_min->data = data;
}
p_i = p_i->next;
}
}
return;
}
```
### 0x10 print_list和list_destroy
```c
void print_list(List *list)
{
if(list->head == NULL)//链表为空
{
printf("list is empty\n");
}
else //链表非空
{
Node * p_cur = list->head;
while (p_cur)
{
list->print_data(p_cur->data);
p_cur = p_cur->next;
}
}
return;
}
```
```c
void list_destroy(List *list)
{
Node *p_cur = list->head;
while (p_cur != NULL)
{
list->head = list->head->next;
list->destroy(p_cur->data);//释放节点中的数据
free(p_cur);//释放节点
p_cur = list->head;
}
memset(list, 0, sizeof (List));
return;
}
```
