C++图解单向链表类模板和iterator迭代器类模版详解
1.链表介绍
1.1 单链表插入某个节点流程
1.2 单链表删除某个节点流程
1.3 单链表清除所有节点流程
2.实现单链表
2.1indexOf()函数示例如下所示:
3.实现一个迭代器来优化链表遍历
3.1 为什么要实现一个迭代器?
总结
链表用来构建许多其它数据结构，如堆栈，队列和他们的派生。
对于非线性的链表，可以参见相关的其他数据结构，例如二叉树、图等。
1.链表介绍常见的线性链表分为三种
单链表: 每个结点都含有指向其后继结点的地址信息
双向链表: 每个结点都有指向其前驱结点和后继结点的地址信息
循环双向链表: 在双向链表的基础上,将数据结点头的前驱信息保存数据结点尾部地址,数据结点尾部的后驱信息保存数据结点头地址、
链表中包含的关键词如下所示:
链表头: 也就是head指针, 每次访问链表时都可以从这个头指针依次遍历链表中的每个元素
头结点: 数据内容无效,指向数据结点
数据结点: 存储数据元素的结点
尾结点：数据内容无效,位于数据结点尾部,标志最后一个结点
对于链表而言,链表头必须存在。而头结点和尾结点在有些链表中是不存在的,但是拥有头结点会有很大的好处
拥有头结点的好处:
每次插入删除时,无需判断是否为第一个结点(对于无头结点的链表,每次都要判断如果是第一个结点,需要将前驱信息设置为链表头,并且将链表头的后继信息设置为第一个结点)
如果是双向循环链表(下章实现),我们可以通过头结点的前驱节点轻松获取到最后一个数据结点,从而实现append函数进行尾部插入结点,无需每次遍历链表至末尾再插入结点.
1.1 单链表插入某个节点流程如下图所示:
从头结点开始遍历,通过要插入的索引号-1找到pre指针后,代码如下所示:
Node* pre = getNode(i-1); // 获取上个节点
Node* node = new Node(); // new一个新节点
node->data = value; // 设置data数据元素
node->next = pre->next; // 将新节点的next链接到下个节点
pre->next = node; // 将前个节点的next链接到创建的新节点
m_length += 1;
1.2 单链表删除某个节点流程
如下图所示:
从头结点开始遍历,通过要删除的索引号-1找到current指针的前一个结点pre后,代码如下所示:
Node* pre = getNode(i-1);
Node* current = pre->next; // 获取要删除的节点
pre->next = current->next; // 将当前节点的下个节点链接到前一个的next中
delete current; // delete空闲的节点
m_length -= 1;
1.3 单链表清除所有节点流程
代码如下所示:
while(m_header.next) {
Node* node = m_header.next;
m_header.next = node->next;
delete node;
}
m_length = 0;
2.实现单链表
需要实现的函数:
int length() : 获取链表数据长度
void clear() : 清空链表所有数据
Node* getNode(int i): 获取i处的节点
bool insert(int i, const T& value) : 在索引号i处插入一个新的数据
bool remove(int i) : 删除链表中索引号i所在的数据
T get(int i): 获取i处的数据
bool set(int i, const T& value): 设置i处的数据
void append(const T &value) ：在链表尾部追加一个新的数据
void prepend(const T &value) : 在链表头部插入一个新的数据
void clear() : 清空链表内容
LinkedList& operator << (const T& value): 重写<<操作符,方便尾部追加数据
int indexOf(const T &value, int from =0) : 在链表中向前查找value所在的索引号.默认从from索引号0(表头)开始.如果未找到则返回-1.
LinkedList<int> list;
list << 1 << 2 << 4 << 2 << 6;
cout<<"from index0 find 2 :"<<list.indexOf(2)<<endl; //returns 1
cout<<"from index1 find 2 :"<<list.indexOf(2, 1)<<endl; //returns 1
cout<<"from index2 find 2 :"<<list.indexOf(2, 2)<<endl; //从索引号2开始查找,returns 3
cout<<"from index0 find 3 :"<<list.indexOf(3)<<endl; //returns -1
打印效果如下所示:
本章SingleLinkedList.h的整个代码实现如下所示(包含迭代器类):
#ifndef SingleLinkedLIST_H
#define SingleLinkedLIST_H
#include "throw.h"
// throw.h里面定义了一个ThrowException抛异常的宏,如下所示:
//#include <iostream>
//using namespace std;
//#define ThrowException(errMsg) {cout<<__FILE__<<" LINE"<<__LINE__<<": "<<errMsg<<endl; (throw errMsg);}
/*链表节点类模板*/
template <typename T>
struct SingleLinkedNode
{
inline SingleLinkedNode(){ }
inline SingleLinkedNode(const T &arg): value(arg) { }
SingleLinkedNode *next; // 后驱节点
T value; // 节点值
};
/*单链表类模板*/
template <class T>
class SingleLinkedList
{
protected:
typedef SingleLinkedNode<T> Node;
Node m_header; // 头节点
int m_length;
public:
SingleLinkedList() { m_header.next = nullptr; m_length = 0; }
~SingleLinkedList() { clear(); }
void append(const T &value) { insert(m_length, value);}
void prepend(const T &value) {insert(0, value);}
int length() {return m_length;}
Node* begin() {return m_header.next;}
static bool rangeValid(int i,int len) {return ((i>=0) && (i<len));}
/*获取i位置处的节点*/
Node* getNode(int i)
{
Node* ret = &m_header;
while((i--)>-1) { // 由于有头节点所以,i为0时,其实ret = m_header->n
ret = ret->next;
}
return ret;
}
/*插入一个新的节点*/
bool insert(int i, const T& value)
{
if (!((i>=0) && (i<=m_length))) {
ThrowException("Invalid parameter i to get value ...");
return false;
}
Node* pre = getNode(i-1);
Node* node = new Node(value); // new一个新节点
node->next = pre->next; // 将新节点的next链接到下个节点
pre->next = node; // 将前个节点的next链接到创建的新节点
m_length +=1;
return true;
}
/*删除一个节点*/
bool remove(int i)
{
if (!rangeValid(i, m_length)) {
ThrowException("Invalid parameter i to get value ...");
return false;
}
Node* pre = getNode(i-1);
Node* current = pre->next; // 获取要删除的节点
pre->next = current->next; // 将当前节点的下个节点链接到前一个的next中
delete current; // delete空闲的节点
m_length -=1;
return true;
}
/*获取节点数据*/
T get(int i)
{
T ret;
if (!rangeValid(i, m_length)) {
ThrowException("Invalid parameter i to get value ...");
} else {
ret = getNode(i)->value;
}
return ret;
}
/*设置节点*/
bool set(int i, const T& value)
{
if (!rangeValid(i, m_length)) {
ThrowException("Invalid parameter i to get value ...");
return false;
}
getNode(i)->value = value;
return true;
}
void clear()
{
while(m_header.next) {
Node* node = m_header.next;
m_header.next = node->next;
delete node;
}
m_length = 0;
}
SingleLinkedList<T>& operator << (const T& value)
{
append(value);
return *this;
}
/*在链表中向前查找value所在的索引号.默认从from索引号0(表头)开始.如果未找到则返回-1.*/
int indexOf(const T &value, int from =0)
{
int ret = 0;
Node* node = m_header.next;
while(node) {
if (ret >= from && node->value == value) {
return ret;
}
node = node->next;
ret+=1;
}
return -1;
}
};
/*单链表迭代器类模板*/
template <class T>
class SingleLinkedListIterator
{
typedef SingleLinkedNode<T> Node;
SingleLinkedList<T> *list;
Node *m_current; // 当前指标
public:
explicit SingleLinkedListIterator(SingleLinkedList<T> &l):list(&l) { m_current = l.begin(); }
void toBegin() { m_current = list->begin(); }
bool hasNext() { return (m_current); }
T& next() { Node *ret = m_current; m_current = m_current->next; return ret->value; }
T& value()
{
if (m_current == nullptr) {
ThrowException(" Current value is empty ...");
}
return m_current->value;
}
T& move(int i) {
if (!list->rangeValid(i, list->length())) {
ThrowException("Invalid parameter i to get value ...");
}
m_current = list->getNode(i);
return value();
}
};
#endif // SingleLinkedLIST_H
测试代码如下所示:
SingleLinkedList<int> list;
for(int i = 0; i< 5; i++)
list.append(i);
for(int i = 0; i< 5; i++)
list<<i+5;
cout<<"print:"<<endl;
cout<<"list.length:"<<list.length()<<endl;
for(int i = 0; i< list.length(); i++){
cout<<" "<<list.get(i)<<" ";
}
cout<<endl;
// 修改链表数据
list.set(1,100);
list.set(2,200);
list.remove(3);
list.insert(5,500);
cout<<"changed:"<<endl;
cout<<"list.length:"<<list.length()<<endl;
for(int i = 0; i< list.length(); i++){
cout<<" "<<list.get(i)<<" ";
}
cout<<endl;
运行打印:
迭代器（iterator）有时又称光标（cursor）是程序设计的软件设计模式，可在容器对象（container，例如链表或数组）上遍访的接口，设计人员无需关心容器对象的内存分配的实现细节。
3.1 为什么要实现一个迭代器?比如我们刚刚写的遍历链表代码:
for(int i = 0; i< list.length(); i++){ // 时间复杂度为O(n)
cout<<" "<<list.get(i)<<" "; // get函数的时间复杂度为O(n)
}
每次for循环调用链表的get时,都会重复去遍历链表,所以遍历一个链表需要的时间复杂度为O(n^2),所以我们需要实现迭代器来优化链表遍历
迭代器需要实现以下几个函数:
bool hasNext(): 是否有下个节点
T &next(): 移动光标到下一个节点,并返回之前的值
T &value(): 获取当前光标的节点数据
void toBegin(): 将迭代器的光标定位到开头位置
T& move(int i): 将迭代器当前光标定位到i位置处,并返回当前位置的值
迭代器类实现如下所示:
/*单链表迭代器类模板*/
template <class T>
class SingleLinkedListIterator
{
typedef SingleLinkedNode<T> Node;
SingleLinkedList<T> *list;
Node *m_current; // 当前指标
public:
explicit SingleLinkedListIterator(SingleLinkedList<T> &l):list(&l) { m_current = l.begin(); }
void toBegin() { m_current = list->begin(); }
bool hasNext() { return (m_current); }
T& next() { Node *ret = m_current; m_current = m_current->next; return ret->value; }
T& value()
{
if (m_current == nullptr) {
ThrowException(" Current value is empty ...");
}
return m_current->value;
}
T& move(int i) {
if (!list->rangeValid(i, list->length())) {
ThrowException("Invalid parameter i to get value ...");
}
m_current = list->getNode(i);
return value();
}
};
示例代码如下所示:
SingleLinkedList<int> list;
list<<1<<4<<5<<6<<8;
SingleLinkedListIterator<int> it(list);
cout<<"print:"<<endl;
cout<<"list.length:"<<list.length()<<endl;
while (it.hasNext()) // 通过迭代器让时间复杂度为O(n)
cout<<it.next()<<endl;
cout<<endl;
cout<<"moved:"<<endl;
it.move(2);
while (it.hasNext()) // 通过迭代器让时间复杂度为O(n)
cout<<it.next()<<endl;
打印如下所示:
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