数据结构(05)_单链表（单链表、静态单链表、单向循环链表）

21.线性表的链式存储结构

21.1.链式存储的定义：

为了表示每个数据元素与其直接后继之间的逻辑关系，数据元素除过存储本身的信息之外，还需要存储其后继元素的地址信息。

链式存储结构的逻辑结构：

• 数据域：存储数据元素本身
• 指针域：存储相邻节点的地址
  
  统一的专业术语：
  — 顺序表：—顺序存储结构的线性表
  — 链表：基于链式存储的线性表
• 单链表：每个节点只包含直接后继的地址信息
• 循环链表：单链表的最后一个节点的后继为第一个节点
• 双向链表：节点中包含其直接前驱和后继的信息
  链表中基本概念：
  — 头节点：链表中的辅助节点，包含指向第一个数据元素的指针，一般不包含数据。
  — 数据节点：链表中代表数据元素的节点，表现为：（数据元素、地址）
  — 尾节点：链表中最后一个节点，包含的地址信息为空

  21.2.单链表

  单链表中的节点定义：
  
  注意：这里的struct是用来定义一个类，与class的访问属性相反，默认为public
  单链表的内部结构：
  头节点在单链表中的意义是：辅助数据元素的定位，方便插入和删除，因此，头节点不存储实际的数据。
  

  21.3.单链表的插入与删除：

  插入：

• 从头节点开始，通过current指针定位到目标位置
• 从堆空间中申请新的Node节点
• 执行插入操作(注意先处理后半部分的挂接，否则会导致链表断开，数据丢失，内存泄漏)

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

  删除：

• 从头节点开始，通过current指针定位到目标位置
• 使用toDel指针指向需要删除的节点

• 执行操作

  toDel = current->next;
  current->next = toDel->nex;
  delete toDel;

  22.单链表的实现

  22.1.设计要点和实现

  类族结构：
  
  — 类模板，通过头节点访问后继节点
  — 定义内部节点的类型Node，用于描述数据域和指针域
  — 实现线性表的关键操作，增、删、查等。

  template < typename T >
  class LinkList : public List<T>
  {
  protected:
  struct Node : public Object
  {
      Node * next;
      T value;
  };
  int m_length;
  mutable Node m_header;
  // 当前所找到的节点不是要直接操作的节点，要操作的是该节点的next
  Node *position(int i) const
  public:
  LinkList()
  bool insert(const T& e)
  bool insert(int index, const T& e)
  bool remove(int index)
  bool set(int index, const T& e)
  T get(int index)
  bool get(int index, T& e) const
  int length() const
  void clear()
  ~LinkList()
  };

  22.2.隐患和优化

  优化：
  代码中多个函数存在对操作节点的定位逻辑。可以将该段代码实现为一个position函数。

  Node *position(int i) const
  {
      Node *ret = reinterpret_cast<Node*>(&m_header);
  
      for(int p=0; p<i; p++)
      {
          ret = ret->next;
      }
  
      return ret;
  }

  隐患：
  
  LinkList<Test> L; // 抛出异常，分析为什么我们没有定义 Test 对象，但确抛出了异常
  原因在于单链表头节点构造时会调用泛指类型的构造函数
  解决方案：
  头节点构造时，避免调用泛指类型的构造函数，也即是说要自定义头节点的类型，并且该类型是一个匿名类型

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

  注意：这里我们自定义都头结点类型和Node的内存结构上要一模一样（不要将两个成员变量的位置交换）。

23.顺序表和单链表的对比分析

23.1.代码优化

1.查找操作：
可以为线性表list增加一个查找操作， int find (const T& e) const
参数为待查找的元素，返回值为查找到的元素首次出现的位置，没有找到返回 -1
2.比较操作：
当我们定义的了上述查找函数之后，线性表中的数据为类类型时，查找函数编译出错，原因在于我们没有重载==操作符。
解决的办法，在顶层父类Object中重载==和!=操作符，并且让自定义的类继承自顶层父类Object。

23.2.对比分析

单链表和顺序表的时间复杂度对比：

问题：
顺序表的整体时间复杂度比单链表低，那么单链表还有使用的价值吗？实际工程中为什么单链表反而用的比较多？
——实际工程中，时间复杂度只是效率的一个参考指标

• 对于内置基础类型，顺序表和单链表的效率不相上下（或者说顺序表更优）
• 对于自定义类型，顺序表在效率上低于单链表
  效率的深度分析：
  插入和删除
  ——顺序表：涉及大量数据对象的复制操作
  ——单链表只涉及指针操作，效率与对象无关
  数据访问
  ——顺序表：随机访问，可以直接定位数据对象
  ——单链表：顺序访问，必须从头开始访问数据无法直接定位
  工程开发中的选择:
  顺序表
  ——数据元素的类型相对简单，不涉及深拷贝
  ——数据元素相对稳定，访问操作远远多于插入和删除
  单链表：
  ——数据元素相对复杂，复制操作相对耗时
  ——数据元素不稳定，需要经常插入和删除，访问操作较少
  总结：
• 线性表中元素的查找依赖于相等比较操作符（==）
• 顺序表适用于访问需求较大的场合（随机访问）
• 单链表适用于数据元素频繁插入删除的场合（顺序访问）
• 当数据元素类型相对简单时，两者效率不相上下
  24.单链表的遍历与优化
  24.1.遍历
  遍历一个单链表的方法：通过for循环来调用get函数即可实现。

  for(int i=0; i<list.length(); i++)
  {
  cout << list.get(i) << endl;
  }

  这段代码的时间复杂度为O（n^2）,所以我们希望对其优化，得到一个线性阶的遍历函数。

  24.2.设计思路：

• 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
• 通过节点中的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
  
  函数原型：

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

  24.3.优化

  单链表内部的一次封装：

  virtual Node *create()
  {
      return new Node();
  }
  virtual void destory(Node *pn)
  {
      delete pn;
  }

  进行上述封装得到意义：增加程序的可扩展性

  25.静态单链表的实现

  25.1.单链表的缺陷：

  长时间使用单链表对象频繁的增加和删除数据元素，会导致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：
  在单链表的内部增加一片预留的空间，所有的node对象都在这篇空间中动态创建和动态销毁。
  
  层次结构：
  

  25.2.设计思路：

• 类模板，继承自LinkList
• 在类中定义固定大小的空间（unsigned char[N]）
• 重写create和destroy函，改变内存的分配和归还方式
• 在Node类中重载operator new，用于指定在内存上创建对象

template < typename T, int N>
class StaticLinkList : public LinkList<T>
{
protected:
    // (1)注意这里不能直接写为Node，编译报错，原因是Node中涉及泛指类型T，所以要声明 LinkList<T>::Node
    // (2)上面的写法在某些编译情况下依然会报错，原因在于，编译器不知道这里的Node是一个类对象，还是一个静态成员对象，
    //    所以前面还需使用template声明Node是一个类对象。
    typedef typename LinkList<T>::Node Node;
    struct SNode : public Node
    {
      void *operator new (unsigned int size, void *p)
      {
          (void)size;
          return p;
      }
    };

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

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

        for(int i=0; i<N; i++)
        {
            if( !m_used[i] )     // 0为空，1为有数据元素，不可用
            {
                ret = reinterpret_cast<SNode*>(m_space) + i;
                ret = new(ret)SNode;    //返回指定内存地址
                m_used[i] = 1;
                break;
            }
        }
        return ret;
   }

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

        for(int i=0; i<N; i++)
        {
            if( pn == (space + i) )
            {
                m_used[i] = 0;
                spn->~SNode();      //直接调用析构函数
            }
        }
   }

public:
    StaticLinkList()
    {
        for(int i=0; i<N; i++)
        {
            m_used[i] = 0;
        }
    }

};

上节封装create和destroy的意义：
为了本节实现StaticList 做准备，两者的不同之处在于链表节点内存分配的不同，因此将仅有的不同封装与父类和子类的虚函数中。最终通过多态技术，来实现。

29.循环链表

29.1.概念和结构

1.什么是循环链表？
概念上：任意元素有一个前驱和后继，所有数据元素的关系构成一个环
实现上：循环链表是一种特殊的链表，尾节点的指针保存了首节点的地址。
逻辑构成：

29.2.继承关系和实现要点

实现思路：
1.通过模板定义CircleList类，继承自LinkList类
2.定义内部函数last_to_first()用于将单链表首尾相连
3.特殊处理：
首元素的插入和删除操作：
插入首元素时，先将头结点和尾节点的指针指向要插入的元素，然后将要插入元素的指针指向之前的首节点；
删除首节点时，首先将尾节点和头的指针指向要删除节点的下个节点）。
4.重新实现：清空操作和遍历操作，注意异常安全（注意异常安全）。
循环链表可用于解决约瑟夫环的问题。
循环链表声明：

template < typename T >
class CircleList : public LinkList<T>
{
protected:
    Node* last() const
    void last_to_first() const
    int mod(int i) const
public:
    bool insert(const T& e)
    bool insert(int index, const T& e)
    bool remove(int index)
    bool set(int index, const T& e)
    bool get(int index, const T& e) const
    T get(int index) const
    int find (const T& e) const
    void clear()
    bool move(int i, int step)
    bool end()
    ~CircleList()
};

注意：循环链表的实现中，查找和遍历及清空操作要注意异常安全。不能改变链表的状态（比如先将循环链表改为单链表，然后直接调用单链表的相关实现，最后再将链表首尾相连。这样操作如果再过程中调用了泛指类型的构造函数，而且抛出异常，将导致循环链表变成单链表）。