数据结构与算法(4) -- list、queue以及stack

今天主要给大家介绍几种数据结构,这几种数据结构在实现原理上较为类似,我习惯称之为类list的容器。具体有list、stack以及queue。

list的节点Node

首先介绍下node,也就是组成list的节点。从面向对象的角度来说节点也是就一个类,list里面包含了node对象的实例,以及操作/管理这些实例的方法。先给出一个粗糙的node的C++代码如下代码块所示。可以看出除了保有当前节点的信息,其还有指向前一个节点和后一个节点的指针。如果单独使用当然另外还需要相应的构造函数。如果是使用node组成其他的如list数据结构,也可以不需要node自己的构造函数,而完全交由list分配空间和数据,这部分可以参考《STL源码剖析》。好吧,扯得有点远了,为了讲述的简单,后面的代码都将采取简易的实现方式,如有不妥欢迎私信。

template<typename T> struct Node { typedef void * void_pointer; void_pointer prev; void_pointer next; T data; Node(T data){ this->data = data; prev = nullptr; next = nullptr; } }; Node构成的数据结构有哪些

说完了node,那么由node(或其变体)作为基本单元的数据结构有哪些呢?当然首先有list(链表),其次stack(栈)以及queue(队列)也是哈。list是双向链接的,头和尾都可以插入和删除node,当然中间插入删除也是可以的。而stack则是先进后出的队列,啥意思呢,也就是说:插入和删除都是针对最顶层的node的;queue则不同,它是先进先出的,和我们日常排队买东西是一样的原理。接下来分别介绍。

list

先来个图感性认识一下:

数据结构与算法(4) -- list、queue以及stack

其实看了图之后也就无需多言了哈,不就是node一个链接一个么。嘿,简单!!!

stack

那stack呢,更加简单啦。只要将双向的链表换成单向的链表就可以实现了哈。在表的前端插入来实施push操作,通过删除表的前端元素来完成pop操作。top操作知识考察表前端元素并返回它的值。(当然stack也可以用基于vector来实现)。

数据结构与算法(4) -- list、queue以及stack

queue

先进先出,其实现可以基于链表。但是也可以基于deque/vector。与stack一样若基于已有的结构,其实现是较为简单的,这里不详细叙述。

实现一个list

其实从stl的源码可以看出,要真正实现一个list并不像看上去那么简单。考虑到内存分配以及构造的细节,还是比较麻烦的。这里我们主要是为了掌握list的基本结构,对其主要操作做一个了解。所以不必写那么复杂的实现(哈哈,太复杂的我也写不好,还是建议阅读源码哈)。

list的迭代器

迭代器是后需几乎所有操作的基础。那么怎么组织这个迭代器呢,或者换句换说,迭代器在哪里定义呢?我们可以这么组织我们的代码:

using namespace std; template <typename Object> class List { private: struct Node { ... }; public: class const_iterator { public: ... protected: Node *current; ... friend class List<Object>; }; class iterator : public const_iterator { public: ... friend class List<Object>; }; public: List( ) { init( ); } ~List( ) //其他方法: ... ... private: int theSize; Node *head; Node *tail; void init( ) { theSize = 0; head = new Node; tail = new Node; head->next = tail; tail->prev = head; } };

稍微分析一下,首先list由node一个链接一个构成,所以需要一个node类。另外不希望第三方类使用,所以是私有的。在看迭代器,迭代器是为了方便遍历list或者指代list的当前位置的。所以其本质是一个指针,而且是指向node的指针,所以可以看到const_iterator类有个指针的定义:**Node *current;**。因为有时候通过迭代器只是想单纯访问数据而已,而有时候是希望能够改变node节点的数据。所以就有了const_iterator以及iterator两套哈。我不打算在这里给出迭代器的实现细节,这部分内容有很多教材的源码都是不错的,STL源码可能复杂些不建议。推荐《数据结构与算法分析--C++语言描述(第四版)》,请参考我的GitHub。但是还是有几个细节需要提一下:

迭代器的类要是list的友元。

迭代器在某种意义上就是某种智能指针,所以重载*以及->(或者++, --)操作是必须的。

为了后续操作的方便,在list中==以及!=通常也少不了。

通常需要head(表示第一个元素的前一个位置)以及tail(最后一个元素的最后一个位置)。这是为了在遍历的时候可以用迭代器!=head以及tail来判断是否到达边界。

几个list重要操作的原理与实现

现在假设我们已经有了一个功能完整的迭代器,那么接下来的操作基于迭代器就好了。

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先给出图和代码:

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