线性表之单向链表的基本操作实现

Posted 2020-08-15 李雷还是要学英语

线性表之单向链表的基本操作实现

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这篇文章用来回顾单向链表的相关知识并实现如下几个操作:

• 初始化
• 插入
• 删除
• 逆置
• 销毁

且实现的链表为带头节点的单线非循环链表.由于链表在尾插入时需要遍历到链表的最后一个位置,所以我需要记住最后一个节点的位置,为此,本文会简单的实现一个单向链表的类.

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0.链表的定义与类中提供的API

 1 typedef int ELEMENT;
 2 
 3 struct Node_s {
 4     Node_s():data(),NEXT(nullptr){}
 5     ELEMENT data;
 6     Node_s * NEXT;
 7 };
 8 
 9 typedef Node_s Node;
10 typedef Node * NodePtr;

 

 

 1 class CForward_List
 2 {
 3 public:
 4     CForward_List(void);
 5 
 6     ~CForward_List(void);
 7 
 8     // 当空时返回真
 9     bool isEmpty();
10 
11     // 从文件中读入节点数据
12     size_t readFromFile(std::string &_filename);
13 
14     // 在头节点后插入一个节点
15     void insert_atHead(ELEMENT &_data);
16 
17     // 在尾节点后插入一个节点
18     void insert_atTail(ELEMENT &_data);
19 
20     // 在指定位置后插入一个节点
21     void insert_before(ELEMENT &_positionData,ELEMENT &_insertData);
22 
23     // 删除链表中指定元素的值 
24     void deleteNode_single(ELEMENT &_data);
25 
26     // 销毁链表中的所有数据
27     void deleteAllData();
28 
29     // 更新链表中的值
30     NodePtr update(ELEMENT &_originalData,ELEMENT &_data);
31 
32     // 搜索链表中的值的位置
33     NodePtr search(ELEMENT &_data);
34 
35     // 将链表逆置
36     NodePtr reverse();
37 
38     // Sort by bubble/insert/select
39     NodePtr sort(SORTWAY _sortway);
40 
41     // Show
42     void showListInfo();
43 
44 private:
45     // 节点数量
46     size_t size;
47     
48     // 头节点
49     NodePtr listHeadPtr;
50     
51     // 尾节点
52     NodePtr listEndPtr;
53 
54     // 在一个指定位置后插入一个节点
55     void insert_after(NodePtr insertPos,ELEMENT &_data);
56     
57     // 删除指定节点后的节点
58     void deleteNode_specific(NodePtr beforeDeleteNode);
59     
60     // 下一个是否与当前的相等
61     bool nextEqualThis(NodePtr nodePos,ELEMENT &_data);
62 
63     // 冒泡排序
64     NodePtr sort_bubble();
65     void sort_swap(ELEMENT * _data1,ELEMENT *_data2);
66 
67     // 选择排序
68     NodePtr sort_select();
69     NodePtr sort_select_min(NodePtr _startNode);
70 
71     // 插入排序
72     NodePtr sort_insert();
73     NodePtr findInsertPos(NodePtr _newListHeadPtr,NodePtr _seekedNode);
74     void sort_insert_after(NodePtr _firstNode,NodePtr _secondNode);
75 };

 

 

 下面会分步的实现前面提到的函数.

 

1.初始化(构造)与析构函数

　　初始化函数先创建一个头结点,将链表的大小置为0,指向尾部的节点为空;

1 CForward_List::CForward_List(void):listHeadPtr(nullptr),listEndPtr(nullptr)
2 {
3     size = 0;
4     listHeadPtr 　　= new Node;
5     listEndPtr    　= nullptr;
6 }

 

 

　　析构函数为了确保所有节点都被清理会调用销毁相关的函数,在deleteAllData()函数内部会处理size的值.

 1 CForward_List::~CForward_List(void)
 2 {
 3     // 删除所有节点信息
 4     deleteAllData();
 5 
 6     if(!listHeadPtr)
 7         delete listHeadPtr;
 8     if (!listEndPtr)
 9         delete listEndPtr;
10 }

 

 

 

2.插入操作

头插入:

　　其实头插入就是在头指针后插入一个节点,这里体会到了使用头结点的方便性.

1 void CForward_List::insert_atHead(ELEMENT &_data){
2     insert_after(listHeadPtr,_data);
3 }

 

尾插入:

　　其实为插入也就是在尾指针后进行插入一个节点的行为,但是这里需要判断链表是否为空,

　　因为,若链表为空的话尾指针指向的对象是空的,所以需要在头结点后插入,然后将尾指针指向插入的元素即可.

　　否则,直接在尾指针后插入即可.

1 void CForward_List::insert_atTail(ELEMENT &_data){
2     if (isEmpty())
3         insert_after(listHeadPtr,_data);
4     else
5         insert_after(listEndPtr,_data);
6 }

 

在指定位置之前插入:

　　对链表进行指定元素的插入操作最重要的就是,要找到指定元素的前驱节点.然后再调用前面的 insert_after 函数即可.

 1 void CForward_List::insert_before(ELEMENT &_positionData,ELEMENT &_insertData){
 2     NodePtr node = listHeadPtr;
 3     while (node){
 4         if (nextEqualThis(node,_positionData)){
 5             insert_after(node,_insertData);
 6             break;
 7         }
 8         node = node->NEXT;
 9     }
10 }

 

nextEqualThis函数是判断传入节点node与node->next的data值是否相等,相等返回true,否则返回false;

 

插入操作的总结:

　　其实插入操作就是一个遍历的过程,要找到插入位置之前的节点是关键;

　　这里对两个功能进行模块化,一是在指定节点后的插入行为,二是判断当前节点是否与下一个节点相等.

 

具体的插入操作:

 1 void CForward_List::insert_after(NodePtr _insertPos,ELEMENT &_data){
 2     NodePtr insertNode  = new Node;
 3     insertNode->data    = _data;
 4     // 判断是否要移动尾指针的位置
 5     if (!_insertPos->NEXT)
 6         listEndPtr = insertNode;
 7     // 进行插入操作
 8     insertNode->NEXT    = _insertPos->NEXT;
 9     _insertPos->NEXT    = insertNode;
10     size++;
11 }

 

 

1 bool CForward_List::nextEqualThis(NodePtr _nodePos,ELEMENT &_data){
2     if (!_nodePos->NEXT)
3         return false;
4     else
5         return _nodePos->NEXT->data == _data;
6 }

 

 

　　这里的代码和许多教科书上的代码都不尽相同,因为我想着什么是插入操作的共同点,然后将其提取出来,将代码量减少.

但是上面有一个问题就是在指定位置插入的过程中,遍历查找的操作会频繁调用nextEqualThis函数,要论如何优化的话我想要是设置为inline可能会是一个不错的选择,但是编译其听不听我的话就是另一回事了:)

 

3.删除操作

　　删除操作和前面的在指定位置插入有许多相同之处.,也是遍历以查找到删除之前的那个节点,然后在那个位置上执行删除操作.

 1 void CForward_List::deleteNode_single(ELEMENT &_data){
 2     NodePtr node = listHeadPtr;
 3     while (node){
 4         if (nextEqualThis(node,_data)){
 5             deleteNode_specific(node);
 6             break;
 7         }
 8         node = node->NEXT;
 9     }
10 }

 

 

具体的删除操作:

1 void CForward_List::deleteNode_specific(NodePtr _beforeDeleteNode){
2     NodePtr deletedNode = _beforeDeleteNode->NEXT;
3     _beforeDeleteNode->NEXT = deletedNode->NEXT;
4     // 若删除的节点是尾节点,则需要重新设置尾节点
5     if (!deletedNode->NEXT)
6         listEndPtr = _beforeDeleteNode;
7     size--;
8     delete deletedNode;
9 }

 

 

删除操作的总结:

　　可以发现删除操作的思路和插入的大致相同,遍历是前提.但是在删除的具体操作中,需要判断是否删除的是尾指针.

 

4.逆置操作

　　逆置的思路就是遍历的过程中把当前这个节点指向前面的节点. 10 - 19 行才是关键,只是在遍历的过程中需要几个临时变量记住即将发生变化的节点.

 1 NodePtr CForward_List::reverse(){
 2     NodePtr 
 3         head     = listHeadPtr->NEXT,
 4         tmpPtr   = nullptr,
 5         preNode  = nullptr;
 6 
 7     // Record the end_pointer
 8     listEndPtr = head;
 9 
10     while (head){
11         // Record the next node,beacuse I will change the next value
12         tmpPtr= head->NEXT;
13         // Reverse operation
14         head->NEXT = preNode;
15         // Record current node
16         preNode = head;
17         // Require the next node.
18         head = tmpPtr;
19     }
20     // Make the head_pointer point to the reversed list.
21     listHeadPtr ->NEXT = preNode;
22 
23     return listHeadPtr;
24 }

 

 

5.排序操作

　　这里实现了三种排序方式,根据参数的不同做出不同的反映.可惜的是他们的平均时间复杂度都是O(n^2)

1 NodePtr CForward_List::sort(SORTWAY _sortway){
2     if(_sortway == BUBBLESORT)
3         listHeadPtr = sort_bubble();
4     else if (_sortway == SELECTSORT)
5         listHeadPtr = sort_select();
6     else if (_sortway == INSERTSORT)
7         listHeadPtr = sort_insert();
8     return listHeadPtr;
9 }

 

 

冒泡排序:

　　按照从大到小排序.

1 NodePtr CForward_List::sort_bubble(){
2     for (NodePtr kNode = listHeadPtr->NEXT;kNode;kNode = kNode->NEXT)
3         for (NodePtr fNode = listHeadPtr->NEXT;fNode;fNode=fNode->NEXT)
4             if (kNode->data > fNode->data)
5                 sort_swap(&kNode->data,&fNode->data);
6     return listHeadPtr;
7 }

 

 

选择排序:

　　按照从小到大排序.遍历到的每个元素都是最小的元素.

1 NodePtr CForward_List::sort_select(){
2     for (NodePtr kNode = listHeadPtr->NEXT;kNode;kNode = kNode->NEXT){
3         NodePtr minNodePtr = sort_select_min(kNode);
4         sort_swap(&kNode->data,&minNodePtr->data);
5     }
6     return listHeadPtr;
7 }

 

 

选择最小元素的具体过程;这里有一个细节,就是为什么不在sort_select_min函数传入kNode->NEXT,因为避免返回值是nullptr.导致sort_swap异常.

 1 NodePtr CForward_List::sort_select_min(NodePtr _startNode){
 2     ELEMENT minData = _startNode->data;
 3     NodePtr minPtr    = _startNode;
 4     for (NodePtr fNode = _startNode->NEXT;fNode;fNode=fNode->NEXT){
 5         if (fNode->data < minData){
 6             minData = fNode->data;
 7             minPtr    = fNode;
 8         }
 9     }
10     return minPtr;
11 }

 

 

插入排序:

　　按照从小到大排序.这里实现的不是就地的插入排序.而是新建立一个和拥有相同头结点的链表,不过并不会涉及节点的创建,只是节点之间的"再连接";

 1 NodePtr CForward_List::sort_insert(){
 2     NodePtr 
 3         kNode = listHeadPtr->NEXT,
 4         newListHeadPtr = listHeadPtr;
 5     newListHeadPtr->NEXT = nullptr;
 6 
 7     NodePtr tmp;
 8     while (kNode){
 9         // 找到在新链表中可插入的位置
10         NodePtr insertPos = findInsertPos(newListHeadPtr,kNode);
11         // 临时保存下一个节点的位置
12         tmp = kNode->NEXT;
13         // 在新链表中进行插入操作
14         sort_insert_after(insertPos,kNode);
15         // 获取临时保存的下一个节点
16         kNode = tmp;
17     }
18 
19     return newListHeadPtr;
20 }

 

 

 插入排序的具体过程,保存怎么寻找插入的位置,以及在指定位置后进行插入操作.

 1 NodePtr CForward_List::findInsertPos(NodePtr _newListHeadPtr,NodePtr _seekedNode){
 2     NodePtr kNode;
 3     for (kNode = _newListHeadPtr;kNode->NEXT;kNode = kNode->NEXT){
 4         if (_seekedNode->data < kNode->NEXT->data)
 5             return kNode;
 6     }
 7     return kNode;
 8 }
 9 void CForward_List:: sort_insert_after(NodePtr _insertPos,NodePtr _insertNode){
10     if (!_insertPos->NEXT) 
11         listEndPtr = _insertNode;
12     _insertNode->NEXT = _insertPos->NEXT;
13     _insertPos->NEXT = _insertNode;
14 }

 

交换两个节点元素:

1 void CForward_List::sort_swap(ELEMENT * _data1,ELEMENT *_data2){
2     ELEMENT tmp;
3     tmp = *_data1;
4     *_data1 = *_data2;
5     *_data2 = tmp;
6 }

 

排序操作总结:

　　以上的排序实现都是仅仅交换节点元素,并没有实现节点的"真"交换.即连带删除/插入的操作,我认为得看具体实现要求,目前这已经能够实现链表的排序了.

 

6.销毁操作

　　这里说明一下为什么要判断size是否等于0,因为我认为若多次链表的操作之后,在进行链表的销毁肯定会size==0的,但是留一个悬念,万一之前的操作哪里有问题(new 失败...),则会导致清理完后size不等于0.

所以留着残余的数据以便查找问题所在.

 1 void CForward_List::deleteAllData(){
 2     std::cout << "deleting all node "<<std::endl;
 3     NodePtr node = listHeadPtr->NEXT,nextNode;
 4     while (node) {
 5         nextNode = node->NEXT;
 6         delete node;
 7         node = nullptr;
 8         size--;
 9         node = nextNode;
10     }
11     if(size == 0){
12         listHeadPtr->NEXT = nullptr;
13         listEndPtr = nullptr;
14     }
15 }

 

 

好了,这些就是基本的链表操作,相关的代码可以在 我的github上参考源码.