数据结构学习笔记4——单链表的实现

线性表（list）的实现有两种标准方法：顺序表（array based list）和链表（linked list）。顺序表用数组实现，实现方法见上一节；链表用指针动态实现。链表又包括单链表（singly linked list）和双链表（doubly linked list）。本节讨论单链表的实现。

单链表的结构形式：



注意：

Head的Val中不存储具体的数值，而Tail的next不再指向任意节点。
Curr并非指向当前节点，而是指向当前节点的前一个节点，这样安排时为了便于实现插入操作（在当前节点前插入元素）

文件结构如下：



其中，Public.h、Tools.h、Tools.cpp为提供辅助功能的文件：Public.h包含常用的头文件，Tools.h和Tools.cpp实现了异常机制Assert()；

List.h中实现线性表的抽象类模板，不包含数据成员，成员函数都是虚函数（当然构造函数除外）；

Single_Linked_List.h和Single_Linked_List_Def.h实现单链表的模板类定义，其继承自List.h中的线性表模板；

main.cpp为主函数，实现单链表的调用和测试。

Lish.h的实现与前一节相同，实现线性表的抽象类模板：

/********************************************************/
// 用模板实现线性表（List）的基类定义
/********************************************************/
#pragma once
#include "Public.h"

template<class dataType>
class List
{
private:
void operator= (const List&) {} //应该是无用的，可删除
List(const List&) {}//构造函数不可为虚函数
public:
List() {}         //默认构造函数，构造函数不可为虚函数
virtual ~List(){} //析构函数，基类一般总是需要虚析构函数，以便基类指针指向派生类时，删除基类指针时收回空间

// 清除内容，使线性表为空
virtual void clear() = 0; //纯虚函数，被派生类的实现覆盖，任何对象都不能调用当前版本

// 在当前位置插入元素
virtual void insert(const dataType& item) = 0;

// 在末尾追加元素
virtual void append(const dataType& item) = 0;

// 删除当前元素，返回其值
virtual dataType remove() = 0;//不能返回引用，因为该元素已经被删除了，只能返回值

// 将当前位置设为线性表的开始
virtual void moveToStart() = 0;

// 将当前位置设为线性表的末尾
virtual void moveToEnd() = 0;

// 将当前位置左移一格，若当前已经在开始位置则无改变
virtual void prev() = 0;

// 将当前位置右移一格，若当前已经在结束位置则无改变
virtual void next() = 0;

// 线性表中已经存储的元素的个数
virtual int length() const = 0; //size_t或unsigned int不是更好？

// 获取当前的位置
virtual int currPos() const = 0;

// 将当前位置的元素移动到某个特定位置
virtual void moveToPos(int pos) = 0;

// 获取当前的元素
virtual const dataType& getValue() const = 0; //const引用
};

Single_Linked_List.h：将整张单链表定义为一个类（模板）

/********************************************************/
// 用模板实现单向链表（Single Linked List）的定义
// 继承基类线性表template<class dataType> class List
/********************************************************/
#pragma once

#include "List.h"

// 1,定义节点类模板
template<class E>
class Node
{
public:
E element; //本结点存储的元素值
Node* next;//指向下一结点的指针
Node(const E& elemval, Node* nextval = NULL):element(elemval),next(nextval){}
Node(Node* nextval = NULL) :next(nextval) {}
};

// 2,定义链表类模板
template<class E>
class Single_LList : public List<E>
{
private:
Node<E>* head; //表头，head结点内并不存储真是的元素
Node<E>* tail;
Node<E>* curr; //实际上curr->next才是真正的当前位置
int cnt;       //链表中当前存储的元素个数
void init();   //初始化
void remove_all();  //清空
public:
Single_LList();
~Single_LList();

void print() const;
void clear();
void insert(const E& it); //在当前位置插入元素
void append(const E& it); //在链表末尾追加
E    remove();            //删除当前的元素并返回其值
void moveToStart();       //将当前位置设为链表开始
void moveToEnd();         //将当前位置设为链表结束
void prev();              //将当前位置左移一位
void next();			  //将当前位置右移一位
int  length() const;      //返回当前链表存储的元素个数
int  currPos() const;     //返回当前位置
void moveToPos(int pos);  //将当前位置设为指定位置
const E& getValue() const;//返回当前位置的元素值
};

Single_Linked_List_Def.h：实现Single_Linked_List.h中的成员函数定义

/********************************************************/
// 用模板实现单向链表（Single Linked List）的定义
// 继承基类线性表 template<class dataType> class List
// 本头文件实现Single_LList<class E>的成员函数
/********************************************************/
#pragma once
#include "Single_Linked_List.h"

template<class E>
void Single_LList<E>::init()
{
//所有指针指向新开的空间
head = tail = curr = new Node<E>;
cnt = 0;
}

//删除所有结点
template<class E>
void Single_LList<E>::remove_all()
{
while (head != NULL)
{
curr = head;

//请注意，下面两句的顺序不能颠倒，不然curr删除后就相当于head删除了，就不能再获取head->next了
head = head->next;
delete curr;
}
}

//构造函数
template<class E>
Single_LList<E>::Single_LList()
{
//构造时只开辟一个节点的空间
init();
}

//析构函数
template<class E>
Single_LList<E>::~Single_LList()
{
remove_all();
}

//打印所有元素
template<class E>
void Single_LList<E>:: print() const
{
Node<E>* temp = head->next;
while (NULL != temp)
{
//此处暗示类型E必须定义了“<<”操作，否则报错
cout << temp->element << endl;
temp = temp->next;
}
}

//清空链表
template<class E>
void Single_LList<E>::clear()
{
remove_all();
init(); //删除之后，还要留着表头
}

//当前位置插入元素
template<class E>
void Single_LList<E>::insert(const E& it)
{
//Node<E>* temp = curr->next;
//curr->next = new Node<E>;
//curr->next->element = it;
//curr->next->next = temp;
//这一句，代替了上面4句，调用了Node<E>的构造函数
curr->next = new Node<E>(it, curr->next);

//若本来curr就在尾部，则插入后新元素成为新的尾部，需要更新tail指针
if (curr == tail)
{
tail = curr->next; //更新tail指针
}

//不要忘记增加结点计数
cnt++;
}

//链表末尾追加元素
template<class E>
void Single_LList<E>::append(const E& it)
{
tail->next = new Node<E>(it, NULL);
tail = tail->next;
cnt++;
}

//删除当前元素并返回其值
template<class E>
E Single_LList<E>::remove()
{
Assert(curr != tail, "当前位置无效，无法删除");
Node<E>* temp = curr->next;
E it = temp->element;

if (temp == tail) //若删除的是末端元素，则需更新tail
{
tail = curr;
}
curr->next = temp->next; //即便是temp为tail的时候，这句依然成立
delete temp;

cnt--;
return it;
}

//将head设为当前位置
template<class E>
void Single_LList<E>::moveToStart()
{
curr = head;
}

//将tail设为当前位置
template<class E>
void Single_LList<E>::moveToEnd()
{
curr = tail;
}

//将当前位置左移一位,如果已在最前，无改变
template<class E>
void Single_LList<E>::prev()
{
if (curr == head)
{
return;
}

Node<E>* temp = head;
while (temp->next != curr)
{
temp = temp->next;
}

curr = temp;
}

//将当前位置右移一位,如果已在最后，无改变
template<class E>
void Single_LList<E>::next()
{
if (curr == tail)
{
return;
}

curr = curr->next;
}

//返回链表长度，即
template<class E>
int Single_LList<E>::length() const
{
return cnt;
}

//返回当前位置
template<class E>
int Single_LList<E>::currPos() const
{
Node<E>* temp = head;
int pos = 0;
while (temp != curr)
{
pos++;
temp = temp->next;
}
return pos;
}

//将当前位置设为指定位置
template<class E>
void Single_LList<E>::moveToPos(int pos)
{
Assert((pos >= 0) && (pos <= cnt), "设定位置越界");
curr = head;
for (int i = 0; i != pos; i++)
{
curr = curr->next;
}
}

//返回当前位置的元素值
template<class E>
const E& Single_LList<E>::getValue() const
{
Assert(curr != tail, "无值可取");
return curr->next->element;
}

main.c 主函数，测试构造的单链表是否可用

/********************************************************/
// 主函数
// 用于测试编写的各函数与数据结构
/********************************************************/
#include "Public.h"
#include "Tools.h"
#include "SeqStack.h"
#include "SeqStack_Vector.h"
#include "SeqStack_VT_Def.h"
#include "postfix.h"
#include "ArrayBasedList_Def.h"
#include "Single_Linked_List_Def.h"

int main()
{
/********************************************************/
// 4,《数据结构与算法分析》Clifford 4.1.2单链表
/********************************************************/
Single_LList<int> iSLList;

iSLList.insert(1);
iSLList.insert(2);
iSLList.insert(3);
iSLList.insert(4);
cout << "after insert" << endl;
iSLList.print();

iSLList.clear();
cout << "after clear" << endl;
iSLList.print();
}

运行结果：