目录介绍

  • 01.什么是指针或引用
  • 02.指针丢失和内存泄漏
  • 03.单链表插入和删除
  • 04.留意边界条件处理

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01.什么是指针或引用

  • 事实上，看懂链表的结构并不是很难，但是一旦把它和指针混在一起，就很容易让人摸不着头脑。所以，要想写对链表代码，首先就要理解好指针。
  • 有些语言有“指针”的概念，比如 C 语言；有些语言没有指针，取而代之的是“引用”，比如 Java、Python。不管是“指针”还是“引用”，实际上，它们的意思都是一样的，都是存储所指对象的内存地址。
  • 接下来，拿 C 语言中的“指针”来讲解，如果你用的是Java或者其他没有指针的语言也没关系，你把它理解成“引用”就可以了。
  • 实际上，对于指针的理解，你只需要记住下面这句话就可以了：
    • 将某个变量赋值给指针，实际上就是将这个变量的地址赋值给指针，或者反过来说，指针中存储了这个变量的内存地址，指向了这个变量，通过指针就能找到这个变量。这句话听起来还挺拗口的，你可以先记住。我们回到链表代码的编写过程中，我来慢慢给你解释。
    • 在编写链表代码的时候，我们经常会有这样的代码：p->next=q。这行代码是说，p 结点中的 next 指针存储了 q 结点的内存地址。
    • 还有一个更复杂的，也是我们写链表代码经常会用到的：p->next=p->next->next。这行代码表示，p 结点的 next 指针存储了 p 结点的下下一个结点的内存地址。

02.指针丢失和内存泄漏

  • 不知道你有没有这样的感觉，写链表代码的时候，指针指来指去，一会儿就不知道指到哪里了。所以，我们在写的时候，一定注意不要弄丢了指针。+指针往往都是怎么弄丢的呢？我拿单链表的插入操作为例来给你分析一下
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    • 如图所示，我们希望在结点 a 和相邻的结点 b 之间插入结点 x，假设当前指针 p 指向结点 a。
  • 如果我们将代码实现变成下面这个样子，就会发生指针丢失和内存泄露。
    p->next = x;  // 将 p 的 next 指针指向 x 结点；
x->next = p->next;  // 将 x 的结点的 next 指针指向 b 结点；
    • 初学者经常会在这儿犯错。p->next+指针在完成第一步操作之后，已经不再指向结点 b 了，而是指向结点 x。第 2 行代码相当于将 x 赋值给 x->next，自己指向自己。因此，整个链表也就断成了两半，从结点 b 往后的所有结点都无法访问到了。
  • 对于有些语言来说，比如 C 语言，内存管理是由程序员负责的，如果没有手动释放结点对应的内存空间，就会产生内存泄露。所以，我们插入结点时，一定要注意操作的顺序，要先将结点 x 的 next 指针指向结点 b，再把结点 a 的 next 指针指向结点 x，这样才不会丢失指针，导致内存泄漏。所以，对于刚刚的插入代码，我们只需要把第 1 行和第 2 行代码的顺序颠倒一下就可以了。
  • 同理，删除链表结点时，也一定要记得手动释放内存空间，否则，也会出现内存泄漏的问题。当然，对于像 Java 这种虚拟机自动管理内存的编程语言来说，就不需要考虑这么多了。

03.单链表插入和删除

  • 先来回顾一下单链表的插入和删除操作。如果我们在结点p后面插入一个新的结点，只需要下面两行代码就可以搞定。
    new_node->next = p->next;
p->next = new_node;
  • 当我们要向一个空链表中插入第一个结点，刚刚的逻辑就不能用了。我们需要进行下面这样的特殊处理，其中 head 表示链表的头结点。所以，从这段代码，我们可以发现，对于单链表的插入操作，第一个结点和其他结点的插入逻辑是不一样的。
    if (head == null) {
  head = new_node;
}
  • 再来看单链表结点删除操作。如果要删除结点 p 的后继结点，我们只需要一行代码就可以搞定。
    p->next = p->next->next;
    • 但是，如果我们要删除链表中的最后一个结点，前面的删除代码就不work了。跟插入类似，我们也需要对于这种情况特殊处理。写成代码是这样子的：
    if (head->next == null) {
   head = null;
}
  • 从前面的一步一步分析，我们可以看出，针对链表的插入、删除操作，需要对插入第一个结点和删除最后一个结点的情况进行特殊处理。这样代码实现起来就会很繁琐，不简洁，而且也容易因为考虑不全而出错。如何来解决这个问题呢？
    • 还记得如何表示一个空链表吗？head=null 表示链表中没有结点了。其中 head 表示头结点指针，指向链表中的第一个结点。
    • 如果我们引入哨兵结点，在任何时候，不管链表是不是空，head 指针都会一直指向这个哨兵结点。我们也把这种有哨兵结点的链表叫带头链表。相反，没有哨兵结点的链表就叫作不带头链表。
    • 画了一个带头链表，你可以发现，哨兵结点是不存储数据的。因为哨兵结点一直存在，所以插入第一个结点和插入其他结点，删除最后一个结点和删除其他结点，都可以统一为相同的代码实现逻辑了。
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  • 实际上，这种利用哨兵简化编程难度的技巧，在很多代码实现中都有用到，比如插入排序、归并排序、动态规划等。这些内容我们后面才会讲，现在为了让你感受更深，我再举一个非常简单的例子。代码我是用 C 语言实现的，不涉及语言方面的高级语法，很容易看懂，你可以类比到你熟悉的语言。
    • 代码一：
    int find(char* a, int n, char key) {
  int i = 0;
  while (i < n) {
    if (a[i] == key) {
      return i;
    }
    ++i;
  }
  return -1;
}
    • 代码二：
    inf find(char* a, int n, int key) {
  if (a[n-1] == key) {
    return n-1;
  }
  char tmp = a[n-1];
  a[n-1] = key;
  int i = 0;
  while (a[i] != key) {
    ++i;
  }
  a[n-1] = tmp;
  if (i == n-1) return -1;
  return i;
}
    • 对比两段代码，在字符串a很长的时候，比如几万、几十万，你觉得哪段代码运行得更快点呢？答案是代码二，因为两段代码中执行次数最多就是 while 循环那一部分。第二段代码中，我们通过一个哨兵 a[n-1] = key，成功省掉了一个比较语句i<n，不要小看这一条语句，当累积执行万次、几十万次时，累积的时间就很明显了。

04.留意边界条件处理

  • 软件开发中，代码在一些边界或者异常情况下，最容易产生 Bug。链表代码也不例外。要实现没有 Bug 的链表代码，一定要在编写的过程中以及编写完成之后，检查边界条件是否考虑全面，以及代码在边界条件下是否能正确运行。
  • 我经常用来检查链表代码是否正确的边界条件有这样几个：
    • 如果链表为空时，代码是否能正常工作？
    • 如果链表只包含一个结点时，代码是否能正常工作？
    • 如果链表只包含两个结点时，代码是否能正常工作？
    • 代码逻辑在处理头结点和尾结点的时候，是否能正常工作？
  • 当你写完链表代码之后，除了看下你写的代码在正常的情况下能否工作，还要看下在上面我列举的几个边界条件下，代码仍然能否正确工作。如果这些边界条件下都没有问题，那基本上可以认为没有问题了。
  • 当然，边界条件不止我列举的那些。针对不同的场景，可能还有特定的边界条件，这个需要你自己去思考，不过套路都是一样的。+实际上，不光光是写链表代码，你在写任何代码时，也千万不要只是实现业务正常情况下的功能就好了，一定要多想想，你的代码在运行的时候，可能会遇到哪些边界情况或者异常情况。遇到了应该如何应对，这样写出来的代码才够健壮！

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