第22课单链表的实现

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2024-09-26 16:55:02 210人阅读

1. LinkList类的设计要点

技术分享

（1）用类模板实现，通过头结点访问后继结点

（2）定义内部结点类型Node（注意继承于自定义的Object顶层父类），用于描述数据域和指针域.

（3）实现线性表的关键操作（增、删、查等）

2. 单链表的内部结构

技术分享

（1）头结点在单链表中的意义：辅助数据元素的定位，方便插入和删除操作；

（2）头结点不存储实际的数据元素

3. 单链表的操作

（1）插入元素

技术分享

　　①从头结点开始，通过current指针定位到目标位置（注意：current->next保留着目标元素的地址）

　　②从堆空间中申请新的Node结点

　　③执行插入操作

node->value =http://www.mamicode.com/ e;

node->next = current->next;

current->next = node;

（2）删除元素

技术分享

　　①从头结点开始，通过current指针定位到目标位置（toDel地址保存在curr->next中）

　　②使用toDel指针指向需要删除的结点

　　③执行删除操作

toDel = current->next;

current->next = toDel->next;

delete toDel;

【编程实验】单链表的实现

//Object.h

#ifndef _OBJECT_H_
#define _OBJECT_H_

namespace DTLib
{

class Object
{
public:
    //以下四个重载函数用于统一不同编译器new失败时的结果不同的问题。
    //throw()表示不抛出异常，即如果申请内请失败时，统一返回NULL而不抛异常
    void* operator new(unsigned int size) throw();
    void operator delete(void* p);
    void* operator new[](unsigned int size) throw();
    void operator delete[](void* p);

    virtual ~Object() = 0;
};

}

#endif // _OBJECT_H_

View Code

//Object.cpp

#include "Object.h"
#include <cstdlib>

using namespace std;

namespace DTLib {

void * Object::operator new(unsigned int size)  throw()
{
    return malloc(size);
}

void Object::operator delete(void *p)
{
    free(p);
}

void *Object::operator new[](unsigned int size) throw()
{
    //当用new Test[5]时，只须传入数组元素的个数，编译器会向operator new[](...)函数的参数
    //传入5*sizeof(Test) + sizeof(unsigned int)，其中的sizeof(unsigned int)为额外
    //空间，用于保存元素的个数。
    return malloc(size);
}

void Object::operator delete[](void *p)
{
    free(p);
}

Object::~Object()
{

}

}

View Code

//Exception.h

#ifndef _EXCEPTION_H_
#define _EXCEPTION_H_
#include "Object.h"

namespace DTLib
{

#define THROW_EXCEPTION(e, m) (throw e(m, __FILE__, __LINE__))

class Exception : public Object
{
protected:
    char* m_message;
    char* m_location;

    void init(const char* message, const char* file, int line);

public:
    //构造函数
    Exception(const char* message);
    Exception(const char* file, int line);
    Exception(const char *message, const char *file, int line);
    //拷贝构造函数
    Exception(const Exception& e);
    //重载赋值操作符
    Exception& operator=(const Exception& e);

    virtual const char* message() const;
    virtual const char* location() const;

    //注意：
    //（1）析构函数是较为特殊的函数，一旦定义了析构函数，不管这个函数是不是纯虚函数，就
    //必须提供实现。因为，对象在销毁时，最后都会调用父类的析构函数。如果父类不提供实现，
    //当对象销毁过程中调用到父类析构函数时，就找不到析构函数，也就不知该如何析构下去。
    //因此，尽管这里将析构函数声明为纯虚函数，但Exception类仍提供析构函数的实现。以便
    //最后正确释放掉m_message和m_location所指的堆空间.
    //（2）此外，声明为纯虚函数，可以让该类只能作为接口使用，而且也强迫子类必须
    //提供析构函数的实现。
    virtual ~Exception() = 0; //纯虚函数
};

//计算异常类
class ArithmeticException: public Exception
{
public:
    ArithmeticException():Exception(0){}
    ArithmeticException(const char* message):Exception(message){}
    ArithmeticException(const char*file, int line):Exception(file, line){}
    ArithmeticException(const char *message, const char* file, int line):Exception(message, file, line){}

    ArithmeticException(const ArithmeticException& e): Exception(e){}
    ArithmeticException& operator=(const ArithmeticException& e)
    {
        Exception::operator =(e);

        return *this;
    }
};

//空指针异常类
class NullPointerException: public Exception
{
public:
    NullPointerException():Exception(0){}
    NullPointerException(const char* message):Exception(message){}
    NullPointerException(const char*file, int line):Exception(file, line){}
    NullPointerException(const char *message, const char* file, int line):Exception(message, file, line){}

    NullPointerException(const NullPointerException& e): Exception(e){}
    NullPointerException& operator=(const NullPointerException& e)
    {
        Exception::operator =(e);

        return *this;
    }
};

//越界异常类
class IndexOutOfBoundsException: public Exception
{
public:
    IndexOutOfBoundsException():Exception(0){}
    IndexOutOfBoundsException(const char* message):Exception(message){}
    IndexOutOfBoundsException(const char*file, int line):Exception(file, line){}
    IndexOutOfBoundsException(const char *message, const char* file, int line):Exception(message, file, line){}

    IndexOutOfBoundsException(const IndexOutOfBoundsException& e): Exception(e){}
    IndexOutOfBoundsException& operator=(const IndexOutOfBoundsException& e)
    {
        Exception::operator =(e);

        return *this;
    }
};

//内存不足异常类
class NotEnoughMemoryException: public Exception
{
public:
    NotEnoughMemoryException():Exception(0){}
    NotEnoughMemoryException(const char* message):Exception(message){}
    NotEnoughMemoryException(const char*file, int line):Exception(file, line){}
    NotEnoughMemoryException(const char *message, const char* file, int line):Exception(message, file, line){}

    NotEnoughMemoryException(const NotEnoughMemoryException& e): Exception(e){}
    NotEnoughMemoryException& operator=(const NotEnoughMemoryException& e)
    {
        Exception::operator =(e);

        return *this;
    }
};

//参数错误异常类
class InvalidParameterException: public Exception
{
public:
    InvalidParameterException():Exception(0){}
    InvalidParameterException(const char* message):Exception(message){}
    InvalidParameterException(const char*file, int line):Exception(file, line){}
    InvalidParameterException(const char *message, const char* file, int line):Exception(message, file, line){}

    InvalidParameterException(const InvalidParameterException& e): Exception(e){}
    InvalidParameterException& operator=(const InvalidParameterException& e)
    {
        Exception::operator =(e);

        return *this;
    }
};

//无效操作异常类（成员函数调用时，如果状态不正确则抛出异常）
class InvalidOperationException: public Exception
{
public:
    InvalidOperationException():Exception(0){}
    InvalidOperationException(const char* message):Exception(message){}
    InvalidOperationException(const char*file, int line):Exception(file, line){}
    InvalidOperationException(const char *message, const char* file, int line):Exception(message, file, line){}

    InvalidOperationException(const InvalidOperationException& e): Exception(e){}
    InvalidOperationException& operator=(const InvalidOperationException& e)
    {
        Exception::operator =(e);

        return *this;
    }
};

}

#endif // _EXCEPTION_H_

View Code

//Exception.cpp

#include "Exception.h"
#include <cstring>
#include <cstdlib>

using namespace std;

namespace DTLib
{

void Exception::init(const char *message, const char *file, int line)
{
    m_message = strdup(message); //复制message的内容

    m_location = NULL;

    if(file != NULL){
        char sl[16]={0};
        itoa(line, sl, 10);//将整数line转为字符串,其中的10表示转换为十进制格式

        //m_location的格式为：file:line\0;
        m_location = static_cast<char*>(malloc(strlen(file) + strlen(sl) + 2));

        //注意:申请内存失败时无须再抛NotEnoughMemoryException异常,从宏观上看，父类
        //是无法抛出子类型的异常的。从逻辑上看也不能抛出这个异常，因为当父类构造时出现异常时，
        //如果去抛出子类异常，则必然需要构造子类，但这又得先调用父类构造函数（会再一次产
        //生异常，从而造成Exception构造函数的递归调用，从而造成死循环！）
        if(m_location != NULL){   //内存申请成功
            m_location = strcpy(m_location, file);
            m_location = strcat(m_location, ":");
            m_location = strcat(m_location, sl);
        }
    }
}

//构造函数
Exception::Exception(const char* message)
{
    init(message, NULL, 0);
}

Exception::Exception(const char* file, int line)
{
    init(NULL, file, line);
}

Exception::Exception(const char *message, const char *file, int line)
{
    init(message, file, line);
}

//拷贝构造函数
Exception::Exception(const Exception& e)
{
    //深拷贝
    m_message = strdup(e.m_message);
    m_location = strdup(e.m_location);
}

//重载赋值操作符
Exception& Exception::operator=(const Exception& e)
{
    if(this != &e){ //防止自赋值
        free(m_message);
        free(m_location);

        //深拷贝
        m_message = strdup(e.m_message);
        m_location = strdup(e.m_location);
    }

    return *this;
}

const char* Exception::message() const
{
    return m_message;
}

const char* Exception::location() const
{
    return m_location;
}

Exception::~Exception()
{
    free(m_message);
    free(m_location);
}

}

View Code

//List.h

#ifndef _LIST_H_
#define _LIST_H_

#include "Object.h"

namespace DTLib {

template <typename T>
class List : public Object
{
protected:
    //禁用拷贝构造函数和赋值操作符
    //List(const List&);
    //List& operator=(const List&);
public:
    //由于以上添加了拷贝构造函数，编译将不再提供
    //默认的一些构造函数。这里需要手工加上无参构造函数
    List(){}
    virtual bool insert(const T& e) = 0;//往线性表尾部插入元素
    virtual bool insert(int index, const T& elem) = 0;
    virtual bool remove(int index) = 0;
    virtual bool get(int index, T& elem) const = 0;
    virtual int length() const = 0;
    virtual void clear() = 0;
};

}

#endif // _LIST_H_

View Code

//LinkList.h

#ifndef _LINKLIST_H_
#define _LINKLIST_H_

#include "list.h"
#include "Exception.h"

namespace DTLib
{

template <typename T>
class LinkList : public List<T>
{
protected:
    //结点类型（内部类）
    struct Node : public Object
    {
        T value;    //数据域
        Node* next; //指针域s
    };

    //由于m_header在定义时会调用T的构造函数。如果T的设计者在构造函数中抛出异常，当LinkList<T> list时会产生异常。这时调用者可能会怀疑是
    //LinkList设计出了问题，而不会认为是T的问题，因为他根本就没有手工定义T的对象（如：T t），为了防止这种现象的出现，可“借尸还魂”，防止在定义
    //m_header时调用T的构造函数。

    //mutable Node m_header;  //头结点

    //“借尸还魂”:定义一个与Node内存模型完全一样的结构体
    mutable struct : public Object{
        char reserved[sizeof(T)];
        Node* next;
    } m_header;
    int m_length;   //链表长度

    //获取指定下标的元素
    Node* position(int index) const
    {
        Node* ret = (Node*)&m_header; //由于const对象不能修改成员变量的值
                               //对m_header取地址就可能会修改m_header
                               //的值，可将m_header声明为mutable

        for(int pos=0; pos<index; ++pos){
            ret = ret->next;
        }

        return ret; //注意要查找的元素地址保存在该节点的next指针域中
    }

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

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

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

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

            Node* current = position(index);

            node->value =http://www.mamicode.com/ elem;
            node->next = current->next;
            current->next = node;

            ++m_length;
        }else{
            THROW_EXCEPTION(NotEnoughMemoryException, "Not enougth memory to insert new element ...");
        }

        return ret;
    }

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

        if(ret){
            Node* current = position(index); //要删除的元素地址保存在curr->next中

            Node* toDel = current->next;

            current->next = toDel->next;

            delete toDel;

            --m_length;
        }

        return ret;
    }
        bool set(int index, const T& elem)
    {
        bool ret = (0 <= index) && (index < m_length);

        if(ret){
            Node* current = position(index);

            (current->next)->value =http://www.mamicode.com/ elem;
        }

        return ret;
    }

    T get(int index) const
    {
        T ret;
        if(get(index, ret)){
            return ret;
        }else{
            THROW_EXCEPTION(IndexOutOfBoundsException, "Invalid paramter index to get element ...");
        }
    }

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

        if(ret){
            Node* current = position(index);

            elem = (current->next)->value;
        }

        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;
    }

    ~LinkList()
    {
        clear();
    }

};

}

#endif // _LINKLIST_H_

//main.cpp

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

using namespace std;
using namespace DTLib;

class Test
{
public:
    Test()
    {
        throw 0; //在构造函数中抛异常，故意制造出来的！
    }
};

int main()
{
    //测试1
    LinkList<int> list;

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

    for(int i=0; i<list.length(); i++){

        cout << list.get(i) << " ";
    }

    cout << endl;

    list.remove(2);

    for(int i=0; i<list.length(); i++){

        cout << list.get(i) << " ";
    }

    cout << endl;

    list.clear();

    for(int i=0; i<list.length(); i++){

        cout << list.get(i) << endl;
    }

    //测试2
    LinkList<Test> lt;  //如果LinkList类不采用借尸还魂来解决Test抛异常的话，
                        //LinkList的使用者会以为这个异常是LinkList类设计
                        //的问题，因为他们认为自己并没有调用Test的构造函数，
                        //所以不会怀疑是Test类设计的问题，而是LinkList类的问题。

    return 0;
}
/*输出结果：
16 9 4 1 0
16 9 1 0
*/

4. 小结

（1）通过类模板实现链表，包括头结点成员和长度成员。

（2）定义结点类型，并通过堆中的结点对象构成链式存储

（3）为了避免构造错误的隐患，头结点类型需要重定义

（4）插入和删除操作需要保证链表的完整性

第22课单链表的实现

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