(原創) 簡單的Linked List實現 (C/C++) (C) (Data Structure)

Abstraction
使用C語言簡單的實現linked list，並用C++的std::vector實作出相同的功能作比較。

Introduction
學習資料結構，第一個要學的就是linked list，本文示範最簡單的linked list實現，包含建立與顯示，可把它當成linked list的標準範本，畢竟步驟都差不多。

一個基本的問題：為什麼需要linked list?若要將大量資料存到記憶體，你會想到什麼?第一個想到的就是array，但C語言是個靜態語言，array必須事先宣告大小，這樣compiler才能進行最佳化，若到時候沒用這麼多記憶體，就白白浪費記憶體了。或許你會說array可以配合malloc()變成動態array，但前提是你必須告訴malloc()要建立多大的array，若連要建立多大的陣列也不確定，而是在run-time看有多少資料就建立多大，這時連malloc()的動態array也不能用了，此時就得靠linked list。

linked list是資料結構的基礎，基本上就是靠struct如火車車廂那樣連在一起，run-time有需要時，在動態掛一個struct上去。

C語言

1 /*
2 (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com 3
4 Filename : DS_linked_list_simple.c
5 Compiler : Visual C++ 8.0
6 Description : Demo how to use malloc for linked list
7 Release : 03/22/2008 1.0
8 */
9 #include <stdio.h>
10 #include <stdlib.h>
11 #include <string.h>
12
13 #define SLEN 255
14
15 struct list {
16 int no;
17 char name[SLEN];
18 struct list *next;
19 };
20
21 int main() {
22 int no;
23 char s[255];
24
25 struct list *head = NULL;
26 struct list *current = NULL;
27 struct list *prev = NULL;
28
29 while(1) {
30 printf("No. = ");
31 scanf("%d", &no);
32
33 if (no == 0)
34 break;
35
36 printf("Name = ");
37 scanf("%s", s);
38
39 current = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
40 if (current == NULL)
41 exit(EXIT_FAILURE);
42
43 current->next = NULL;
44
45 current->no = no;
46 strncpy(current->name, s, SLEN -1);
47 current->name[SLEN -1] = '\0';
48
49 if (head == NULL)
50 head = current;
51 else
52 prev->next = current;
53
54 prev = current;
55 }
56
57 // display linked list
58 current = head;
59 while(current != NULL) {
60 printf("No. = %d, Name = %s\n", current->no, current->name);
61 current = current->next;
62 }
63
64 // free linked list
65 current = head;
66 while(current != NULL) {
67 prev = current;
68 current = current->next;
69 free(prev);
70 }
71 }

執行結果

No. = 1
Name = clare
No. = 2
Name = jessie
No. = 0
No. = 1, Name = clare
No. = 2, Name = jessie

15行

struct list {
int no;
char name[SLEN];
struct list *next;
};

linked list的基礎就是struct，所以先建立一個自訂的struct型別，因為linked list是靠struct串聯起來，所以最後要多一個struct pointer指向下一個struct。

25行

struct list *head = NULL;
struct list *current = NULL;
struct list *prev = NULL;

建立linked list最基本需要三個指標，head指向linked list的第一個struct，current指向目前剛建立的struct，prev則指向前一個struct，目的在指向下一個struct，對於未使用的pointer，一律指定為NULL，這是一個好的coding style，可以藉由判斷是否為NULL判斷此pointer是否被使用。

39行

current = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
if (current == NULL)
exit(EXIT_FAILURE);

current->next = NULL;

每當有新資料，需要建立一個新的struct時，就用malloc()要一塊記憶體，由於malloc()傳回的是void *，所以要手動轉型成struct list *。但malloc()並不是一定會成功，若記憶體不足時，仍然會失敗，所以必須判斷是否傳回NULL。

由於一個新的node，一定是linked list最後一個node，所以將current->next接null。

45行

current->no = no;
strncpy(current->name, s, SLEN -1);
current->name[SLEN -1] = '\0';

正式將輸入的資料填進struct，至於為什麼要用strncpy()而不用strcpy()呢?雖然strcpy()也可以，但strncpy()比較安全，若輸入的字串大小超過struct所定義的字串大小，則會只接受struct所接受的字串大小，而不會因為找不到'\0'而造成程式錯誤。

49行

if (head == NULL)
head = current;
else
prev->next = current;

prev = current;

判斷若是第一個node，則將目前的node當成head，若不是第一個node，則將前一個node指向目前的node，完成linked list的連接。最後將目前的node當成前一個node，以備指向下一個node。

58行

// display linked list
current = head;
while(current != NULL) {
printf("No. = %d, Name = %s\n", current->no, current->name);
current = current->next;
}

要重新顯示linked list，所以將指標再度指向第一個node，每當顯示一個node後，就指向下一個node，直到指到NULL為止。

64行

// free linked list
current = head;
while(current != NULL) {
prev = current;
current = current->next;
free(prev);
}

由於malloc()是將記憶體放在heap，而不是放在stack，所以並不會隨著function的結束而釋放，必須要手動使用free()釋放記憶體，否則會造成memory leak。

再來看C++，由於STL已內建一些容器，所以不需再重新實作linked list，有兩個選擇：std::vector或者std::list。std::vector的優點是non-sequential access超快，新增資料於後端超快，但insert和erase任意資料則超慢；std::list則剛好相反，insert和erase速度超快，但non-sequential access超慢，由於本例只有新增與non-sequential access，所以適合std::vector。不過由於STL使用泛型技術，若將來需求改變，想改用std::list也沒關係，只要將容器改掉即可，剩下的都不用改，因為STL的演算法並不挑容器，這正是泛型偉大之處。

C++

1 /*
2 (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com 3
4 Filename : DS_linked_list_simple_vector_class.cpp
5 Compiler : Visual C++ 8.0
6 Description : Demo how to use vector instead of linked list
7 Release : 03/22/2008 1.0
8 */
9 #include <iostream>
10 #include <string>
11 #include <vector>
12
13 using namespace std;
14
15 class List {
16 public:
17 int no;
18 string name;
19 };
20
21 int main() {
22 vector<List> vec;
23
24 while(1) {
25 List list;
26 cout << "No. = ";
27 cin >> list.no;
28
29 if (list.no == 0)
30 break;
31
32 cout << "Name = ";
33 cin >> list.name;
34
35 vec.push_back(list);
36 }
37
38 vector<List>::iterator iter = vec.begin();
39 for(; iter != vec.end(); ++iter)
40 cout << "No. = " << iter->no << ", Name = " << iter->name << endl;
41 }

執行結果

No. = 1
Name = clare
No. = 2
Name = jessie
No. = 0
No. = 1, Name = clare
No. = 2, Name = jessie

15行由struct改用了class，不過若繼續使用struct亦可，至於其他的程式都很直觀，就不再多做解釋。

Conclusion
本文主要是討論使用C語言透過malloc()實現資料結構的linked list，以彌補靜態語言的不足，同時亦討論C++使用STL的替代方案與便利性，C與C++各擅勝場，你可自行決定使用C或C++。

See Also
(原創) C/C++哪些地方會用到pointer呢? (C/C++) (C)
(原創) 如何將輸入的字串存到記憶體後，再一起印出來? (C/C++) (C)