本文主要是介绍【卡码网C++基础课 13.链表的基础操作1】,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
目录
- 题目描述与分析
- 一、指针
- 二、链表
- 三、定义链表节点
- 四、链表的插入
- 五、代码编写
题目描述与分析
题目描述:
构建一个单向链表,链表中包含一组整数数据。输出链表中的所有元素。
要求:
1.使用自定义的链表数据结构
2.提供一个 linkedList 类来管理链表,包含构建链表和输出链表元素的方法
3.在 main 函数中,创建一个包含一组整数数据的链表,然后调用链表的输出方法将所有元素打印出来
输入描述:
包含多组测试数据,输入直到文件尾结束。
每组的第一行包含一个整数 n,表示需要构建的链表的长度。
接下来一行包含 n 个整数,表示链表中的元素。
输出描述:
每组测试数据输出占一行。
按照顺序打印出链表中的元素,每个元素后面跟一个空格。
输入示例:
5
1 2 3 4 5
6
3 4 5 6 7 8
输出示例:
1 2 3 4 5
3 4 5 6 7 8
在之前的学习中,我们接触到了字符串和数组这两种结构,它们具有着以下的共同点:
1.元素按照一定的顺序来排列
2.可以通过索引来访问数组中的元素和字符串中的字符
但是它们也都有着一些缺点:
1.固定大小:数组的大小通常是固定的,一旦分配了内存空间,就难以动态地扩展或缩小,如果需要存储的元素数量超出了数组的大小,就需要重新分配更大的数组,并将原来数组的内容复制过去,需要执行很多额外的操作。
2.内存是连续的:正是因为元素按照一定的顺序来排列,它们在计算机内存中的存储也是连续的,这也就意味着,当需要存储一些需要占用空间较大的内容,也只能找一些大块的内存区域,而空间比较小的内存区域就被浪费了,从而导致了内存资源浪费。
3.固定的数据类型:数组要求所有元素具有相同的数据类型,字符串存储的都是字符,如果需要存储不同类型的数据,数组和字符串就显得无能为力了。
还有重要的一点是,如果我们想要往数组中新增加或者删除一个元素,会特别麻烦!
比如下面的图例,想要往数组中删除第三个元素,当完成删除后,还需要从删除元素位置遍历到最后一个元素位置,分别将它们都向前移动一个位置,也就是说后续的所有元素都要改变自己的位置,这是十分耗时的操作。
那有没有什么数据结构能够解决上面的问题呢?
那就是我们这节课中将要学习到的链表!
一、指针
在 C++ 中,指针是基本的数据类型,用于存储变量的内存地址。通过指针,你可以直接访问和操作存储在内存中的数据。
声明指针: 指针的声明需要指定指针指向的数据类型,以便解引用时知道内存中应读取多少字节以及如何解释它。
int *ptr; // 声明一个指向整数的指针
// 也可以这样写
int* ptr;
初始化指针: 指针应当被初始化为某个变量的地址,使用取地址符 &。
int var = 10;
int* p = &var; // p 现在指向 var
使用指针:
1.解引用(使用 * 运算符)允许你访问指针指向的内存地址中的数据。
2.指针算术,比如增加指针(指针移动到下一个数据元素)。
int value = *p; // 读取 p 指向地址中的值,此处为 10
*p = 20; // 修改 p 指向的地址中存储的值,var 现在为 20
指针类型:
1.指向基本数据类型的指针:如 int*, char* 等。
2.指向数组的指针:可以使用指针来遍历数组。
3.指向指针的指针(多级指针):例如,int** 是一个指向 int* 的指针。
4.指向函数的指针:可以用来存储函数的地址,用于回调函数等。
指针与数组密切相关。数组名本质上是指向数组第一个元素的指针。
int arr[3] = {10, 20, 30};
int* ptr = arr; // 指向数组的第一个元素
for (int i = 0; i < 3; ++i) {cout << *(ptr + i) << " "; // 输出: 10 20 30
}
指针还可以执行加法、减法等算术操作,以访问内存中的不同位置。
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *ptr = arr; // 指向数组的第一个元素
int value = *(ptr + 2); // 获取数组的第三个元素(值为3)
除此之外,还有一个特殊的空指针值,通常表示为nullptr,用于表示指针不指向任何有效的内存地址。
int *ptr = nullptr; // 初始化为空指针
二、链表
链表是一种常用的数据结构,它由一系列节点组成,每个节点包含数据部分和指向下一个节点的指针。链表提供了在任何位置快速插入和删除节点的能力,这使得它在需要频繁修改的场景下非常有用,例如实现队列、栈和其他复杂的数据结构。
链表的第一个节点的存储位置被称为头指针,然后通过next指针域找到下一个节点,直到找到最后一个节点,最后一个节点的next指针域并不存在,也就是“空”的,在C++中,用null来表示这个空指针。
为了简化链表的插入和删除操作,我们经常在链表的第一个节点前添加一个节点,称为虚拟头节点(dummyNode),头节点的数据域可以是空的,但是指针域指向第一个节点的指针。
头指针是链表指向第一个节点的指针,访问链表的入口,经常使用头指针表示链表,头指针是链表必须的
头节点是为了方便操作添加的,不存储实际数据,头节点不一定是链表必须的
链表的类型
单向链表:每个节点只包含一个指向下一个节点的指针。
双向链表:每个节点包含两个指针,一个指向前一个节点,一个指向后一个节点。
循环链表:链表的尾部不是指向 nullptr,而是指回链表的头部。
基本操作
链表的基本操作通常包括插入节点、删除节点和遍历链表:
插入节点:可以在链表的头部、尾部或任何指定节点后插入新节点。
删除节点:可以删除链表中的任何节点,需要调整前一个节点的指针以绕过被删除的节点。
遍历链表:从头节点开始,通过节点中的指针移动到链表的尾部。
三、定义链表节点
传统的定义变量的方式只能使用一种数据类型,无法处理链表这种既包含数据域名、又包含指针域的复合结构,这就需要使用到struct结构体,结构体是一种用户自定义的数据类型,比如想要定义一个Person的结构体
// Person结构体
struct Person {// 使用 数据类型 成员变量的形式来定义int age; // int类型的年龄std::string name; // string类型的名字
}
结构体可以组合多个不同类型的成员变量,成员变量可以是各种数据类型,包括整数、浮点数、字符串、其他结构体等,所以你可以根据需要定义自己的结构体来组织数据。
// 链表节点结构体
struct ListNode {int val; // 存储节点的数据ListNode *next; // 下一个节点也是链表节点,所以也是ListNode类型,*表示指针(地址),next是名称
}
但结构体只是个“模具”,创建的Person结构体虽然具有age、name,但它只是一个Person的概念,无法表示具体的人,只有将其“初始化”,比如"张三,18", “李四、20”,才能真正的使用。
初始化结构体的方式有很多,这里我们使用构造函数的方式来进行,构造函数的名称与结构体的名称相同,和其他函数不一样的是,构造函数没有返回类型,除此之外类似于其他的函数,构造函数也有一个(可能为空)的参数列表和一个函数体(可能为空)。链表结构体的构造函数代码如下:
ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}
这里的ListNode(int x)表示定义一个接收整数参数 x的名称为ListNode的构造函数(名称和结构体相同),:表示初始化列表的开始,val(x)表示链表数据域的值被初始化为传递的参数 x ,next(nullptr)则表示next指针被初始化为nullptr,表示没有下一个节点。
下面的完整代码定义了一个名为ListNode的结构体,用于表示链表中的一个节点,包含存储节点数据的数据域和存储下一个节点地址的指针域。
// 链表节点结构体
struct ListNode {int val; // 存储节点的数据ListNode *next; // 指向下一个节点的指针 // 构造函数,用于初始化节点, x接收数据作为数据域,next(nullptr)表示next指针为空ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}
};
四、链表的插入
上面我们完成了定义链表节点的操作,那应该完成怎样的操作将链表节点插入到链表的尾端,从而形成一个完整的链表呢?至少应该包括以下操作:
创建一个新的链表节点,初始化它的值为val;
将新的节点放入到链表的尾部,接入链表,也就是当前链表的尾部的next指向新节点;
接入的链表节点变为链表的尾部。
假设我们用cur来表示当前链表的尾节点
上面的操作用代码来表示如下:
ListNode *newNode = new ListNode(val); // 通过new构造一个新的节点,节点的值为val
cur -> next = newNode; // cur节点的next节点是新节点,从而将新节点接入链表
cur = cur -> next; // 新插入的节点变更为新的尾节点,即cur发生了变更
这里有两个新的语法:new运算符和箭头语法->
new是一个运算符,它的作用就是在堆内存中动态分配内存空间,并返回分配内存的地址,使用方式一般为指针变量 = new 数据类型, 比如下面的代码
int *arr = new int[5]; // 分配一个包含5个整数的数组的内存空间,并返回一个地址,指针arr指向这个地址
箭头语法(->):用于通过指针访问指针所指向的对象的成员,cur 是一个指向 ListNode 结构体对象的指针,而 next 是 ListNode 结构体内部的一个成员变量(指向下一个节点的指针)。使用 cur->next 表示访问 cur 所指向的节点的 next 成员变量。
五、代码编写
按照题目要求,先把基础的代码结构给写出来
#include <iostream>
using namespace std;
// 定义一个链表节点
struct ListNode {int val;ListNode *next;ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}
};
int main() { }
一般都会为链表创建一个虚拟头节点
ListNode *dummyHead = new ListNode(0); // 定义了虚拟头结点,dummyNode指向它的地址
之后我们需要根据输入的值构建链表,每组的第一行包含一个整数 n,表示需要构建的链表的长度。
while(cin >> n) {}
可以定义一个指向当前节点的指针 cur,刚开始指向虚拟头结点。
ListNode *cur = dummyHead; // 指针cur指向虚拟头节点
构建一个链表需要以下几步:
接收输入的值,并根据读取的值val创建一个新的链表节点,初始化它的值也为val;
将新的节点放入到链表的尾部,接入链表,也就是当前链表的尾部的next指向新节点;
新接入的链表节点变为链表的尾部;
for (int i = 0; i < n; i++) { // 或者使用while(n--)cin >> val; // 输入链表节点的val值ListNode *newNode = new ListNode(val); // 根据val值构造一个新的节点cur -> next = newNode; // 当前指针的下一个节点为新节点,从而将新节点接入链表cur = cur -> next; // cur 指向下一个节点(也就是新创建的节点)
}
当输入结束时,链表也就构建完成了,想要输出链表的节点需要从头开始重新遍历, 所以需要将cur重新指向链表的虚拟头节点,循环输出链表可以使用while循环,但是什么时候才可以退出循环呢?
那就是当cur指向最后一个节点的时候,此时cur->next是空指针,也就是说只要cur->next != null就可以一直循环下去,直到cur->next == null退出循环,在循环过程中需要做两件事情:
输出链表节点的值
将cur指向下一个节点
// 此时构造链表完毕,输出链表节点需要从头遍历
cur = dummyHead;
// 只要cur->next != NULL,说明链表还没有遍历完
while (cur->next != NULL) {// 输入cur的next指针的val值cout << cur->next->val << " ";// 将cur指向下一个节点cur = cur -> next;
}
cout << endl;
链表输出完成后,输出一个换行符,换行输出下一组链表。
cout << endl;
完整代码如下:
#include <iostream>
using namespace std;
struct ListNode {int val;ListNode* next;ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}
};
int main() {int n, val;ListNode *dummyHead = new ListNode(0); // 定义了虚拟头结点while (cin >> n) {ListNode *cur = dummyHead; // 定义一个临时变量来构建链表for (int i = 0; i < n; i++) { // 或者使用while(n--)cin >> val;ListNode *newNode = new ListNode(val); // 根据读取的值 val 创建一个新的链表节点,并初始化它的值为 valcur -> next = newNode; // 将新节点接入链表cur = cur -> next; // cur 指向下一个节点}cur = dummyHead;// 遍历链表节点并逐个输出while (cur->next != NULL) {cout << cur->next->val << " ";cur = cur -> next;}cout << endl;}
}
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