[Data structure] C로 구현한 단순 연결 리스트 삽입

1. 프로젝트 개요

자료구조 과목에서 C 언어 기반으로 단순 연결 리스트(Singly Linked List)를 구현하면서 세 가지 삽입 연산을 정리했다.

이번 실습에서 구현한 삽입 기능은 다음과 같다.

1. 첫 노드 삽입
2. 마지막 노드 삽입
3. 오름차순을 유지한 상태에서 삽입

배열 기반 선형 리스트와 달리 연결 리스트는 포인터를 이용해 노드를 연결하므로, 특정 위치에 원소를 삽입할 때 전체 데이터를 한 칸씩 밀어내지 않아도 된다는 특징이 있다.

2. 구조체 설계

연결 리스트는 노드(Node)와 리스트(List) 구조체로 구성했다.

typedef struct Node {
    int val;
    struct Node* next;
} Node;

typedef struct List {
    Node* head;
    int node_cnt;
} List;

각 구조체의 역할은 다음과 같다.

• Node는 실제 데이터(val)와 다음 노드를 가리키는 포인터(next)를 가진다.
• List는 연결 리스트의 시작 주소인 head와 전체 노드 개수인 node_cnt를 저장한다.

3. 초기화와 노드 생성

리스트를 사용하기 전에 반드시 초기화해야 하며, 노드는 동적 할당을 통해 생성한다. 아래 코드는 과제에서 사용한 원본 코드 그대로이다.

// 초기화
void list_init(List* list) {
	list->head = NULL;
	list->node_cnt = 0;
}

Node* createNode(void) {
	int num = 0;
	num = rand() % 100;
	Node* New_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));
	New_node->val = num;
	New_node->next = NULL;

	return New_node;
}

이 구현에서는 rand()를 이용해 0부터 99 사이의 정수를 만들고, 이를 새 노드의 값으로 저장했다.

4. 리스트 출력

삽입 결과가 잘 반영되는지 확인하기 위해 리스트 전체를 순회하며 출력하는 함수를 사용했다.

void list_print(List* list) {
	if (list == NULL) {
		printf("list is not exist!\n");
		return;
	}

	Node* tmp = list->head;

	while (tmp != NULL) {
		printf("%2d - ", tmp->val);
		tmp = tmp->next;
	}
	printf("\n");
}

이 함수는 head부터 시작해서 next를 따라가며 모든 노드의 값을 출력한다. 연결 리스트는 배열처럼 인덱스로 접근할 수 없기 때문에 이런 순회 과정이 기본이 된다.

5. 삽입 연산 구현

5-1. 첫 노드 삽입

가장 앞에 노드를 삽입하는 방식은 가장 단순하다. 새 노드의 next가 기존 head를 가리키게 한 뒤, head를 새 노드로 바꾸면 된다.

int list_append_first(List* list, Node* node) {
	Node* New_node;
	//New_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));
	// New_node->val = list;

	node->next = list->head;
	list->head = node;

	// 카운트
	list->node_cnt++;
	return list->node_cnt;
}

이 방식은 별도의 탐색이 필요하지 않기 때문에 시간 복잡도는 O(1)이다.

5-2. 마지막 노드 삽입

마지막 삽입은 리스트 끝까지 이동한 뒤 마지막 노드의 next에 새 노드를 연결해야 한다.

int list_append_last(List* list, Node* node) {
	Node* tmp;
	tmp = list->head;

	if (list->head == NULL) {
		node->next = NULL;
		list->head = node;
		list->node_cnt++;
		return list->node_cnt;
	}
	else {
		tmp = list->head;

		while (tmp->next != NULL) {
			tmp = tmp->next;
			list->node_cnt++;
		}
		node->next = NULL;
		tmp->next = node;
	}

	return list->node_cnt;
}

리스트가 비어 있지 않은 경우 마지막 노드를 찾기 위해 전체를 순회해야 하므로 시간 복잡도는 O(n)이다.

5-3. 오름차순 유지 삽입

정렬된 상태를 유지하면서 삽입하려면 새 노드가 들어갈 위치를 찾아야 한다.

int list_append_ordered(List* list, Node* node) {
	Node* tmp;
	tmp = list->head;

	if (!tmp || node->val < tmp->val) {
		node->next = tmp;
		list->head = node;
	}
	else {
		while (tmp->next && tmp->next->val < node->val)
			tmp = tmp->next;

		node->next = tmp->next;
		tmp->next = node;

	}
	list->node_cnt++;
	
	return list->node_cnt;
}

이 함수는 다음 두 가지 경우로 나누어 생각할 수 있다.

1. 리스트가 비어 있거나 새 값이 가장 작은 경우
2. 중간 또는 마지막 위치에 삽입해야 하는 경우

두 번째 경우에는 tmp->next->val과 새 노드 값을 비교하면서 삽입 지점을 찾는다. 위치를 찾은 뒤에는 포인터 두 개만 변경하면 되므로 연결 자체는 간단하지만, 위치 탐색 때문에 시간 복잡도는 O(n)이다.

6. 전체 코드

아래는 과제에서 사용한 원본 코드 전체이다.

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

// 구조체 정의
typedef struct Node {
	int val;
	struct Node* next;
} Node;

typedef struct List {
	Node* head;
	int node_cnt;
} List;

// 초기화
void list_init(List* list) {
	list->head = NULL;
	list->node_cnt = 0;
}

Node* createNode(void) {
	int num = 0;
	num = rand() % 100;
	Node* New_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));
	New_node->val = num;
	New_node->next = NULL;

	return New_node;
}

void list_print(List* list) {
	if (list == NULL) {
		printf("list is not exist!\n");
		return;
	}

	Node* tmp = list->head;

	while (tmp != NULL) {
		printf("%2d - ", tmp->val);
		tmp = tmp->next;
	}
	printf("\n");
}

// 첫 지점 삽입
int list_append_first(List* list, Node* node) {
	Node* New_node;
	//New_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));
	// New_node->val = list;

	node->next = list->head;
	list->head = node;

	// 카운트
	list->node_cnt++;
	return list->node_cnt;
}

// 마지막 지점 삽입
int list_append_last(List* list, Node* node) {
	Node* tmp;
	tmp = list->head;

	if (list->head == NULL) {
		node->next = NULL;
		list->head = node;
		list->node_cnt++;
		return list->node_cnt;
	}
	else {
		tmp = list->head;

		while (tmp->next != NULL) {
			tmp = tmp->next;
			list->node_cnt++;
		}
		node->next = NULL;
		tmp->next = node;
	}

	return list->node_cnt;
}

// 오름차순을 유지한 상태로 새로운 노드 값을 삽입
int list_append_ordered(List* list, Node* node) {
	Node* tmp;
	tmp = list->head;

	if (!tmp || node->val < tmp->val) {
		node->next = tmp;
		list->head = node;
	}
	else {
		while (tmp->next && tmp->next->val < node->val)
			tmp = tmp->next;

		node->next = tmp->next;
		tmp->next = node;

	}
	list->node_cnt++;
	
	return list->node_cnt;
}

int main() {
	int i = 0;

	srand(time(NULL));

	List list;
	list_init(&list);

	for (i = 0; i < 10; i++) {
		Node* node = createNode();

		int ret = list_append_ordered(&list, node);
		
		printf("val : %d, ret : %d\n", node->val, ret);
		

		list_print(&list);
	}
	return 0;
}

7. 시간 복잡도 정리

각 삽입 연산의 시간 복잡도는 다음과 같다.

• 첫 노드 삽입: O(1)
• 마지막 노드 삽입: O(n)
• 오름차순 유지 삽입: O(n)

즉, 연결 리스트는 앞쪽 삽입에는 매우 효율적이지만 마지막 삽입이나 정렬 삽입처럼 탐색이 필요한 경우에는 선형 시간이 필요하다.

8. 느낀 점과 개선 방향

이번 구현을 통해 단순 연결 리스트에서 핵심은 데이터 자체보다도 포인터 연결 순서를 정확히 유지하는 것이라는 점을 확인할 수 있었다.

특히 오름차순 삽입은 단순히 값을 넣는 것이 아니라 삽입 위치를 먼저 찾고, 이전 노드와 다음 노드 사이에 새 노드를 안전하게 연결해야 하므로 포인터 조작에 대한 이해가 중요했다.

추가로 보완할 수 있는 부분은 다음과 같다.

• 프로그램 종료 전 전체 노드를 free()하는 메모리 해제 함수 추가
• 사용자가 직접 삽입 방식을 선택할 수 있는 메뉴 기반 프로그램으로 확장
• tail 포인터를 추가해 마지막 삽입 시간을 O(1)로 개선

9. 정리

이번 실습에서는 C 언어로 단순 연결 리스트를 직접 구현하고, 첫 삽입, 마지막 삽입, 오름차순 유지 삽입까지 단계적으로 작성했다.

배열 기반 자료구조와 비교했을 때 연결 리스트는 삽입 시 데이터 이동이 필요 없다는 장점이 있지만, 원하는 위치를 찾기 위해 순차 탐색이 필요하다는 점도 함께 확인할 수 있었다.

자료구조 수업에서 배운 연결 리스트의 기본 원리를 코드로 직접 구현해 보면서, 포인터 기반 자료구조를 다루는 감각을 익힐 수 있었던 실습이었다.