数据结构开发(6)：静态单链表的实现

0.目录

1.单链表的遍历与优化

2.静态单链表的实现

3.小结

1.单链表的遍历与优化

问题：

如何遍历单链表中的每一个数据元素？

当前单链表的遍历方法：

遗憾的事实：

不能以线性的时间复杂度完成单链表的遍历

新的需求：

为单链表提供新的方法，在线性时间内完成遍历

设计思路 ( 游标 )：

在单链表的内部定义一个游标( Node* m_current )
遍历开始前将游标指向位置为0的数据元素
获取游标指向的数据元素
通过结点中的next指针移动游标

提供一组遍历相关的函数，以线性的时间复杂度遍历链表。

遍历函数原型设计：

bool move(int i, int step = 1);
bool end();
T current();
bool next();

单链表的遍历：
改进LinkList.h

#ifndef LINKLIST_H
#define LINKLIST_H

#include "List.h"
#include "Exception.h"

namespace StLib
{

template <typename T>
class LinkList : public List<T>
{
protected:
    struct Node : public Object
    {
        T value;
        Node* next;
    };

    mutable struct : public Object
    {
        char reserved[sizeof(T)];
        Node* next;
    } m_header;

    int m_length;
    int m_step;
    Node* m_current;

    Node* position(int i) const
    {
        Node* ret = reinterpret_cast<Node*>(&m_header);

        for(int p=0; p<i; p++)
        {
            ret = ret->next;
        }

        return ret;
    }
public:
    LinkList()
    {
        m_header.next = NULL;
        m_length = 0;
        m_step = 1;
        m_current = NULL;
    }

    bool insert(const T& e)
    {
        return insert(m_length, e);
    }

    bool insert(int i, const T& e)
    {
        bool ret = ((0 <= i) && (i <= m_length));

        if( ret )
        {
            Node* node = new Node();

            if( node != NULL )
            {
                Node* current = position(i);

                node->value = e;
                node->next = current->next;
                current->next = node;

                m_length++;
            }
            else
            {
                THROW_EXCEPTION(NoEnoughMemoryException, "No memory to insert new element ...");
            }
        }

        return ret;
    }

    bool remove(int i)
    {
        bool ret = ((0 <= i) && (i < m_length));

        if( ret )
        {
            Node* current = position(i);
            Node* toDel = current->next;

            current->next = toDel->next;

            delete toDel;

            m_length--;
        }

        return ret;
    }

    bool set(int i, const T& e)
    {
        bool ret = ((0 <= i) && (i < m_length));

        if( ret )
        {
            position(i)->next->value = e;
        }

        return ret;
    }

    T get(int i) const
    {
        T ret;

        if( get(i, ret) )
        {
            return ret;
        }
        else
        {
            THROW_EXCEPTION(IndexOutOfBoundsException, "Invalid parameter i to get element ...");
        }

        return ret;
    }

    bool get(int i, T& e) const
    {
        bool ret = ((0 <= i) && (i < m_length));

        if( ret )
        {
            e = position(i)->next->value;
        }

        return ret;
    }

    int find(const T& e) const
    {
        int ret = -1;
        int i = 0;
        Node* node = m_header.next;

        while ( node )
        {
            if( node->value == e )
            {
                ret = i;
                break;
            }
            else
            {
                node = node->next;
                i++;
            }
        }

        return ret;
    }

    int length() const
    {
        return m_length;
    }

    void clear()
    {
        while ( m_header.next )
        {
            Node* toDel = m_header.next;

            m_header.next = toDel->next;

            delete toDel;
        }

        m_length = 0;
    }

    bool move(int i, int step = 1)
    {
        bool ret = (0 <= i) && (i < m_length) && (step > 0);

        if( ret )
        {
            m_current = position(i)->next;
            m_step = step;
        }

        return ret;
    }

    bool end()
    {
        return (m_current == NULL);
    }

    T current()
    {
        if( !end() )
        {
            return m_current->value;
        }
        else
        {
            THROW_EXCEPTION(InvalidOperationException, "No value at current position ...");
        }
    }

    bool next()
    {
        int i = 0;

        while( (i < m_step) && !end() )
        {
            m_current = m_current->next;
            i++;
        }

        return (i == m_step);
    }

    ~LinkList()
    {
        clear();
    }
};

}

#endif // LINKLIST_H

main.cpp测试

#include <iostream>
#include "LinkList.h"

using namespace std;
using namespace StLib;

int main()
{
    LinkList<int> list;

    for(int i=0; i<5; i++)
    {
        list.insert(0, i);
    }

    for(list.move(0); !list.end(); list.next())
    {
        cout << list.current() << endl;
    }

    return 0;
}

运行结果为：

单链表内部的一次封装：

内部的封装：
改进LinkList.h

#ifndef LINKLIST_H
#define LINKLIST_H

#include "List.h"
#include "Exception.h"

namespace StLib
{

template <typename T>
class LinkList : public List<T>
{
protected:
    struct Node : public Object
    {
        T value;
        Node* next;
    };

    mutable struct : public Object
    {
        char reserved[sizeof(T)];
        Node* next;
    } m_header;

    int m_length;
    int m_step;
    Node* m_current;

    Node* position(int i) const
    {
        Node* ret = reinterpret_cast<Node*>(&m_header);

        for(int p=0; p<i; p++)
        {
            ret = ret->next;
        }

        return ret;
    }

    virtual Node* create()
    {
        return new Node();
    }

    virtual void destroy(Node* pn)
    {
        delete pn;
    }

public:
    LinkList()
    {
        m_header.next = NULL;
        m_length = 0;
        m_step = 1;
        m_current = NULL;
    }

    bool insert(const T& e)
    {
        return insert(m_length, e);
    }

    bool insert(int i, const T& e)
    {
        bool ret = ((0 <= i) && (i <= m_length));

        if( ret )
        {
            Node* node = create();

            if( node != NULL )
            {
                Node* current = position(i);

                node->value = e;
                node->next = current->next;
                current->next = node;

                m_length++;
            }
            else
            {
                THROW_EXCEPTION(NoEnoughMemoryException, "No memory to insert new element ...");
            }
        }

        return ret;
    }

    bool remove(int i)
    {
        bool ret = ((0 <= i) && (i < m_length));

        if( ret )
        {
            Node* current = position(i);
            Node* toDel = current->next;

            current->next = toDel->next;

            destroy(toDel);

            m_length--;
        }

        return ret;
    }

    bool set(int i, const T& e)
    {
        bool ret = ((0 <= i) && (i < m_length));

        if( ret )
        {
            position(i)->next->value = e;
        }

        return ret;
    }

    T get(int i) const
    {
        T ret;

        if( get(i, ret) )
        {
            return ret;
        }
        else
        {
            THROW_EXCEPTION(IndexOutOfBoundsException, "Invalid parameter i to get element ...");
        }

        return ret;
    }

    bool get(int i, T& e) const
    {
        bool ret = ((0 <= i) && (i < m_length));

        if( ret )
        {
            e = position(i)->next->value;
        }

        return ret;
    }

    int find(const T& e) const
    {
        int ret = -1;
        int i = 0;
        Node* node = m_header.next;

        while ( node )
        {
            if( node->value == e )
            {
                ret = i;
                break;
            }
            else
            {
                node = node->next;
                i++;
            }
        }

        return ret;
    }

    int length() const
    {
        return m_length;
    }

    void clear()
    {
        while ( m_header.next )
        {
            Node* toDel = m_header.next;

            m_header.next = toDel->next;

            destroy(toDel);
        }

        m_length = 0;
    }

    bool move(int i, int step = 1)
    {
        bool ret = (0 <= i) && (i < m_length) && (step > 0);

        if( ret )
        {
            m_current = position(i)->next;
            m_step = step;
        }

        return ret;
    }

    bool end()
    {
        return (m_current == NULL);
    }

    T current()
    {
        if( !end() )
        {
            return m_current->value;
        }
        else
        {
            THROW_EXCEPTION(InvalidOperationException, "No value at current position ...");
        }
    }

    bool next()
    {
        int i = 0;

        while( (i < m_step) && !end() )
        {
            m_current = m_current->next;
            i++;
        }

        return (i == m_step);
    }

    ~LinkList()
    {
        clear();
    }
};

}

#endif // LINKLIST_H

问题：

封装 create 和 destroy 函数的意义是什么？

2.静态单链表的实现

单链表的一个缺陷：

触发条件
1. 长时间使用单链表对象频繁增加和删除数据元素
可能的结果
1. 堆空间产生大量的内存碎片，导致系统运行缓慢

新的线性表

设计思路：
1. 在“单链表”的内部增加一片预留的空间，所有的Node对象都在这片空间中动态创建和动态销毁。

静态单链表的继承层次结构：

静态单链表的实现思路：

通过模板定义静态单链表类( StaticLinkList )
在类中定义固定大小的空间( unsigned char[] )
重写 create 和 destroy 函数，改变内存的分配和归还方式
在Node类中重载 operator new，用于在指定内存上创建对象

（在StLib中实现StaticLinkList.h）：

#ifndef STATICLINKLIST_H
#define STATICLINKLIST_H

#include "LinkList.h"

namespace StLib
{

template <typename T, int N>
class StaticLinkList : public LinkList<T>
{
protected:
    typedef typename LinkList<T>::Node Node;

    struct SNode : public Node
    {
        void* operator new(size_t size, void* loc)
        {
            (void)size;
            return loc;
        }
    };

    unsigned char m_space[sizeof(SNode) * N];
    int m_used[N];

    Node* create()
    {
        SNode* ret = NULL;

        for(int i=0; i<N; i++)
        {
            if( !m_used[i] )
            {
                ret = reinterpret_cast<SNode*>(m_space) + i;
                ret = new(ret)SNode();
                m_used[i] = 1;
                break;
            }
        }

        return ret;
    }

    void destroy(Node *pn)
    {
        SNode* space = reinterpret_cast<SNode*>(m_space);
        SNode* psn = dynamic_cast<SNode*>(pn);

        for(int i=0; i<N; i++)
        {
            if( psn == (space + i) )
            {
                m_used[i] = 0;
                psn->~SNode();
            }
        }
    }
public:
    StaticLinkList()
    {
        for(int i=0; i<N; i++)
        {
            m_used[i] = 0;
        }
    }

    int capacity()
    {
        return N;
    }
};

}

#endif // STATICLINKLIST_H

main.cpp测试

#include <iostream>
#include "StaticLinkList.h"

using namespace std;
using namespace StLib;

int main()
{
    StaticLinkList<int, 5> list;

    for(int i=0; i<5; i++)
    {
        list.insert(0, i);
    }

    for(list.move(0); !list.end(); list.next())
    {
        cout << list.current() << endl;
    }

    return 0;
}

运行结果为：

Q & A：

LinkList 中封装 create 和 destroy 函数的意义是什么？
为静态单链表( StaticLinkList )的实现做准备。StaticLinkList 与 LinkList 的不同仅在于链表结点内存分配上的不同；因此，将仅有的不同封装于父类和子类的虚函数中。

3.小结

单链表的遍历需要在线性时间内完成
在单链表内部定义游标变量，通过游标变量提高效率
遍历相关的成员函数是相互依赖，相互配合的关系
封装结点的申请和删除操作更有利于增强扩展性
顺序表与单链表相结合后衍生出静态单链表
静态单链表是 LinkList 的子类，拥有单链表的所有操作
静态单链表在预留的空间中创建结点对象
静态单链表适合于频繁增删数据元素的场合( 最大元素个数固定 )