2.6. Рекурсивная обработка линейных списков

2.6.1. Модель списка при рекурсивном подходе

Рассмотренный ранее подход к организации линейных списков ориентирован на итеративную (циклическую) обработку, при которой на каждом шаге выделяется текущий элемент списка и все действия выполняются относительно этого элемента.

Рассмотрим теперь другой подход к организации и обработке списков, основанный на систематическом применении рекурсии и не предполагающий явного выделения текущего элемента [2]. На рис.2.16 изображен линейный список, разделенный на две неравные части: "голову" (первый элемент списка) и "хвост" (все остальное).

Рис.2.16. Модель линейного списка при рекурсивном подходе к его обработке

Используя такой подход, дадим рекурсивное определение линейного списка. Линейный список  — представляет собой либо пустой список (не содержащий ни одного элемента), либо упорядоченную пару "голова – хвост", в которой голова есть элемент базового типа α, а хвост, в свою очередь, есть линейный список ( возможно пустой ).

Одной из распространенных форм представления определенных таким образом списков является так называемая скобочная запись, применяемая, например, в языке функционального программирования Lisp. При этом для представления упорядоченной пары "голова – хвост" используется точка как разделитель, поэтому ее часто называют точечной парой. Пустой список обозначается символом Nil.

Например, скобочная запись списка из элементов a, b, c, d типа α имеет вид ( a . ( b . ( c . ( d . Nil ) ) ) ) или в сокращенной записи ( a b c d ). Переход к сокращенной записи производится с помощью отбрасывания конструкции  . Nil и удаления точки с парой скобок везде, где они встречаются. Пробелы в сокращенной записи используются для обеспечения однозначности прочтения конструкции, количество их выбирается произвольно.

Такая модель линейного списка предполагает принципиально новый набор базовых операций, отличный от набора базовых операций для модели списка с выделенным текущим элементом.

Выделим базовые операции для рекурсивной обработки списков:

• функция формирования пустого списка — назовем ее Nil;

• предикат IsNull (список пуст),

• функция Head возвращает значение первого элемента (головы списка);

• функция Tail возвращает хвост непустогос списка, т.е. список, получаемый из исходного списка после удаления из него головного элемента.

• функция Cons (Construct) строит новый список из переданных ей в качестве аргументов головы и хвоста.

Здесь функция IsNull является индикатором, Head и Tail — селекторы, Cons — конструктор.

Данный набор функций является базовым в языках функционального программирования. Например, в языке Lisp функция Head имеет имя CAR, а функция Tail называется CDR (обозначение Cons такое же как и в языке Lisp). Дело в том, что автор языка LISP Джон Маккарти (США) реализовал первую LISP-систему на машине IBM 605 и использовал регистры c названиями CAR и CDR для хранения головы и хвоста списка.

Обратим внимание, что функции Head и Tail могут быть определены только для непустых списков, хотя функция Tail может возвратить и пустой список («хвост»). Функция Cons, в свою очередь, формирует только непустой список. Заметим, что список, разбитый с помощью функций Head и Tail на голову и хвост, можно восстановить с помощью функции Cons.

Определенная проблема возникает с пустым списком, который нельзя использовать как параметр функций Head и Tail, но можно использовать в качестве «хвоста» в функции Cons, которая в этом случае сформирует список из одного единственного элемента. Поэтому в любой реализации придется аккуратно отслеживать ситуацию, когда список является пустым, и уметь формировать пустой список.

Запишем формальную функциональную спецификацию списка. Обозначим список элементов типа α как List(α ), непустой список — Non_null_list( α ), пустой список обозначим Null_list (α).

0. Nil :  Null_list(α);

1. IsNull : List( α ) Boolean;

2. Head : Non_null_list( α )  α;

3. Tail : Non_null_list( α )  List( α );

4. Cons : α  List( α )  Non_null_list( α );

Выстроим систему аксиом для данных базовых операций. Пусть x имеет тип α, y — список элементов типа α List(α ), z — непустой список Non_null_list( α ).

A1. IsNull( Nil ) = true;

A2. IsNull( Cons( x , y ) ) = false;

A3. Head( Cons( x , y ) ) = x;

A4. Tail( Cons( x , y ) ) = y;

A5. Cons( Head( z ) , Tail( z ) ) = z.

Пустой список рассматривается здесь как значение типа List( α ), возвращаемое функцией без параметров Nil.

Все остальные операции над линейными списками выполняются при помощи соответствующей суперпозиции рекурсивных вызовов данных базовых функций.

Так, доступ к произвольному элементу списка осуществляется с помощью функций Head и Tail.

Например, если список y = (a b c d),

то Head(y) = a, Head(Tail(y)) = b,

а

Head(Tail(Tail(Tail(y)))) = d.

Понятно, что такой способ доступа к элементам сильно отличается от рассмотренного ранее передвижения по списку при помощи перемещения указателя текущего элемента. Например, при рекурсивном подходе невозможно явно выделить однонаправленные и двунаправленные списки, однако можно организовать передвижение по списку в любом направлении, используя разную последовательность рекурсивных вызовов.

Сформировать любой непустой список можно только одним способом — используя функцию Cons. Например, сформируем список из одного и трех элементов:

( a ) = ( a . Nil ) = Cons( a , Nil );

( a b c ) = ( a. ( b. ( c . Nil ) ) ) = Cons( a , Cons ( b , Cons ( c , Nil ) ) ).

Отметим, что построение каждой точечной пары в скобочной записи списка требует однократного применения конструктора Cons. При этом можно очень легко добавлять элементы в «голову» списка однократным вызовом Cons, а добавление в другие позиции требует «разборки» списка при помощи селекторов и последующей сборки при помощи конструктора. При определенном навыке использования рекурсивных вызовов функций можно легко «разбирать» и «собирать» списки, добавляя, удаляя и переставляя элементы