Компоненты связанных списков

Связанный список состоит из узлов. Узлы представляют собой абстрактные классы. В нашем примере для построения связанного списка используются три подтипа данных. Один узел будет представлять голову связанного списка и отвечать за его инициализацию. Попробуйте догадаться сами, за что отвечает хвостовой узел. Между ними могут быть представлены (либо могут отсутствовать) один или несколько промежуточных узлов, которые отвечают за обработку данных, переданных в список.

Обратите внимание, что данные списка и сам список — это не одно и то же. В списке могут быть представлены данные любого типа, но связываются друг с другом не данные, а узлы, которые содержат данные.

Выполняемой части программы ничего не известно об узлах, она работает со связанным списком как с единым целым. В то же время функциональная нагрузка на список как таковой весьма ограничена — он просто распределяет ответственность за выполнение задач между узлами.

В листинге 12.13 рассматривается пример программы со связанным списком, а затем детально анализируется ее работа.

Листинг 12.13. Связанный список

0:  // **********************************************

1:  // Листинг 12.13.

2:  //

3:  // ЦЕЛЬ: Показать использование связанного списка

4:  // ПРИМЕЧАНИЯ:

5:  //

6:  // Авторское право: Copyright (С) 1998 Liberty Associates, Inc.

7:  // Все права защищены

8:  //

9:  // Показан один из подходов обьектно-ориентированного

10: // программирования по созданию связанных списков.

11: // Список распределяет задачи между узлами,

12: // представляющими собой абстрактные типы данных.

13: // Список состоит из трех узлов: головного,

14: // хвостового и промежуточного. Данные содержит

15: // только промежуточный узел.

16: // Все объекты, используемые в списке, относятся

17: // к классу Data.

18: // **********************************************

19:

20:

21: #include <iostream.h>

22:

23: enum { kIsSmaller, kIsLarger, kIsSame};

24:

25: // Связанный список основывается на обьектах класса Data

26: // Любой класс в связанном списке должен поддерживать два метода:

27: // Show (отображение значения) и Compare (возвращение относительной позиции узла)

28: class Data

29: {

30:    public:

31:       Data(intval):myValue(val){ }

32:       ~Data(){ }

33:       int Compare(const Data &);

34:       void Show() { cout << myValue << endl; }

35:    private:

36:       int myValue;

37: };

38:

39: // Сравнение используется для определения

40: // позиции в списке для нового узла.

41: int Data::Compare(const Data & theOtherData)

42: {

43:    if (myValue < theOtherData.myValue)

44:       return kIsSmaller;

45:    if (myValue > theOtherData.myValue)

46:       return kIsLarger;

47:    else

48:       return kIsSame;

49: }

50:

51: // Объявления

52: class Node;

53: class HeadNode;

54: class TailNode;

55: class InternalNode;

56:

57: // ADT-представление узловых объектов списка.

58: // В каждом производном классе должны быть замещены функции Insert и Show

59: class Node

60: {

61:    public:

62:       Node(){ }

63:       virtual ~Node(){ }

64:       virtual Node * Insert(Data * theData)=0;

65:       virtual void Show() = 0;

66:    private:

67: };

68:

69: // Этот узел поддерживает реальные объекты.

70: // В данном случае объект имеет тип Data

71: // 0 другом, более общем методе решения этой

72: // задачи мы узнаем при рассмотрении шаблонов.

73: class InternalNode: public Node

74: {

75:    public:

76:       InternalNode(Data * theData, Node * next);

77:       ~InternalNode() { delete myNext; delete myData; }

78:       virtual Node * Insert(Data * theData);

79:       virtual void Show() { myData->Show(); myNext->Show(); } // Делегирование!

80:

81:    private:

82:       Data * myData; // данные списка

83:       Node * myNext; // указатель на следующий узел в связанном списке

84: };

85:

86: // Инициализация, выполняемая каждым конструктором

87: InternalNode::InternalNode(Data * theData, Node * next):

88: myData(theData), myNext(next)

89: {

90: }

91:

92: // Сущность списка.

93: // Когда в список передается новый объект,

94: // программа определяет позицию в списке

95: // для нового узла

96: Node * InternalNode::Insert(Data * theData)

97: {

98:

99: // Этот новенький больше или меньше чем я?

100: int result = myData->Compare(*theData);

101:

102:

103: switch(result)

104: {

105:    // По соглашению, если он такой же как я, то он идет первым

106:    case kIsSame: // условие выполняется

107:    case kIsLarger: // новые данные вводятся перед моими

108:    {

109:       InternalNode * dataNode = new InternalNode(theData, this);

110:       return dataNode;

111:    }

112:

113:    // Он больше чем я, поэтому передается в

114:    // следующий узел, и пусть тот делает с этими данными все, что захочет.

115:    case kIsSmaller:

116:       myNext = myNext->Insert(theData);

117:       return this;

118:    }

119:    return this; // появляется MSC

120: }

121:

122:

123: // Хвостовой узел выполняет роль часового

124:

125: class TailNode : public Node

126: {

127:    public:

128:       TailNode(){ }

129:       ~TailNode(){ }

130:       virtual Node * Insert(Data * theData);

131:       virtual void Show() { }

132:

133:    private:

134:

135: };

136:

137: // Если данные подходят для меня, то они должны быть вставлены передо мной,

138: // так как я хвост и НИЧЕГО не может быть после меня

139: Node * TailNode::Insert(Data * theData)

140: {

141:    InternalNode * dataNode = ew InternalNode(theData, this);

142:    return dataNode;

143: }

144:

145: // Головной узел не содержит данных, он только

146: // указывает на начало списка

147: class HeadNode : public Node

148: {

149:    public:

150:       HeadNode();

151:       ~HeadNode() { delete myNext; }

152:       virtual Node * Insert(Data * theData);

153:       virtual void Show() { myNext->Show(); }

154:    private:

155:       Node * myNext;

156: };

157:

158: // Как только создается головной узел,

159: // он создает хвост

160: HeadNode::HeadNode()

161: {

162:    myNext = new TailNode;

163: }

164:

165: // Ничего не может быть перед головой, поэтому

166: // любые данные передаются в следующий узел

167: Node * HeadNode::Insert(Data * theData)

168: {

169:    myNext = myNext->Insert(theData);

170:    return this;

171: }

172:

173: // Я только распределяю задачи между узлами

174: class LinkedList

175: {

176:    public:

177:       LinkedList();

178:       ~LinkedList() { delete myHead; }

179:       void Insert(Data * theData);

180:       void ShowAll() { myHead->Show(); }

181:    private:

182:       HeadNode * myHead;

183: };

184:

185: // Список появляется с созданием головного узла,

186: // который сразу создает хвостовой узел.

187: // Таким образом, пустой список содержит указатель на головной узел,

188: // указывающий, в свою очередь, на хвостовой узел, между которыми пока ничего нет.

189: LinkedList::LinkedList()

190: {

191:    myHead = new HeadNode;

192: }

193:

194: // Делегирование, делегирование, делегирование

195: void LinkedList::Insert(Data * pData)

196: {

197:    myHead->Insert(pData);

198: }

199:

200: // выполняемая тестовая программа

201: int main()

202: {

203:    Data * pData;

204:    int val;

205:    LinkedList 11;

206:

207:    // Предлагает пользователю ввести значение,

208:    // которое передается в список

209:    for (;;)

210:    {

211:       cout << "What value? (0 to stop): ";

212:       cin >> val;

213:       if (!val)

214:          break;

215:       pData = new Data(val);

216:       ll.Insert(pData);

217:    }

218:

219:    // теперь пройдемся по списку и посмотрим значения

220:    ll.ShowAll();

221:    return 0; // 11 выходит за установленные рамки и поэтому удалено!

222: }

Результат:

What value? (0 to stop) 5

What value? (0 to stop) 8

What value? (0 to stop) 3

What value? (0 to stop) 9

What value? (0 to stop) 2

What value? (0 to stop) 10

What value? (0 to stop) 0

2

3

5

8

9

10

Анализ: Первое, на что следует обратить внимание, — это константное перечисление, в котором представлены константы kIsSmaller, kIsLarger и kIsSame. Любой объект, представленный в списке, должен поддерживать метод Compare('). Константы, показанные выше, возвращаются в результате выполнения этого метода.

В строках 28—37 объявляется класс Data, а в строках 39—49 выполняется метод Compare(). Объекты класса Data содержат данные и могут использоваться для сравнения с другими объектами класса Data. Они также поддерживают метод Show(), отображающий значение объекта класса Data.

Чтобы лучше разобраться в работе связанного списка, проанализируем шаг за шагом выполнение программы, показанной выше. В строке 201 объявляется выполняемый блок программы, в строке 203 — указатель на класс Data, а в строке 205 определяется связанный список.

Для создания связанного списка в строке 189 вызывается конструктор. Единственное, что он делает, — выделяет области памяти для объекта HeadNode и присваивает адрес объекта указателю, поддерживаемому связанным списком и объявленному в строке 182.

При создании объекта HeadNode вызывается еще один конструктор, объявленный в строках 160—163, который, в свою очередь, создает объект TailNode и присваивает его адрес указателю myNext, содержащемуся в объекте HeadNode. При создании объекта TailNode вызывается конструктор TailNode, объявленный в строке 128. Тело конструктора содержится в той же строке программы, и он не создает никаких новых объектов.

Таким образом, создание связанного списка вызывает последовательность взаимосвязанных процессов, в результате которых для него выделяется область стековой памяти, создаются головной и хвостовой узлы и устанавливаются взаимосвязи между ними, как показано на рис. 12.6.

В строке 209 начинается бесконечный цикл. Появляется предложение пользователю ввести значение, которое будет добавлено в связанный список. Ввод новых значений можно продолжать до бесконечности. Ввод значения 0 завершает цикл. Введенное значение проверяется в строке 213.

Если введенное значение отличается от 0, то в строке 215 создается новый объект типа Data, а в строке 216 он вводится в связанный список. Предположим, что пользователь ввел число 15, после чего в строке 195 будет вызван метод Insert.

Рис. 12.6. Связанный список сразу после создания

Связанный лист немедленно передаст ответственность за ввод объекта головному узлу, вызвав в строке 167 метод Insert. Головной узел немедленно делегирует ответственность любому другому узлу (вызывает в строке 139 метод Insert), адрес которого хранится в указателе myNext. Сначала в этом указателе представлен адрес хвостового узла (вспомните, что при создании головного узла автоматически создается хвостовой узел и ссылка на него добавляется в головной узел).

Хвостовому узлу TailNode известно, что любой объект, переданный обращением TailNode::Insert, нужно добавить в список непосредственно перед собой. Так, в строке 141 создается объект InternalNode, который добавляется в список перед хвостовым узлом и принимает введенные данные и указатель на хвостовой узел. Эта процедура выполняется с помощью объявленного в строке 87 конструктора объекта InternalNode.

Конструктор объекта InternalNode просто инициализирует указатель класса Data адресом переданного объекта этого класса, а также присваивает указателю myNext этого

объекта адрес того узла, из которого он был передан. В случае создания первого промежуточного узла этому указателю будет присвоен адрес хвостового узла, поскольку, как вы помните, именно хвостовой узел передал свой указатель this.

Теперь, после того как был создан узел InternalNode, адрес этого узла присваивается указателю dataNode в строке 141, и именно этот адрес возвращается теперь методом TailNode::Insert(). Так мы возвращаемся к методу HeadNode::Insert(), где адрес узла InternalNode присваивается указателю myNext узла HeadNode (строка 169). И наконец, адрес узла HeadNode возвращается в связанный список — туда, где в строке 197 он был сброшен (ничего страшного при этом не произошло, так как связанному списку уже был известен адрес головного узла).

Зачем было беспокоиться о возвращении адреса, если он не используется? Метод Insert был объявлен в базовом классе Node. Для выполнения метода необходимо задать значение возврата. Если изменить значение возврата функции HeadNode::Insert(), то компилятор покажет сообщение об ошибке. Это все равно что возвратить узел HeadNode и позволить связанному списку выбросить его адрес.

Так что же все-таки произошло? Данные были введены в список. Список передал эти данные головному узлу. Головной узел передал их дальше по тому адресу, что хранится в его указателе. В первом цикле в этом указателе хранился адрес хвостового узла. Хвостовой узел немедленно создает новый промежуточный узел, указателю которого присваивается адрес хвостового узла. Затем хвостовой узел возвращает адрес промежуточного узла в головной узел, где он присваивается указателю myNext головного узла. Итак, свершилось то, что требовалось: данные расположились в списке правильным образом (рис. 12.7).

После ввода первого промежуточного узла программа переходит к строке 211 и выводит предложение пользователю ввести новое значение. Предположим, что в этот раз было введено значение 3. В результате в строке 215 создается новый объект класса Data и вводится в список в строке 216.

Рис. 12.7. Вид связанного списка после того, как был добавлен первый промежуточный узел

И вновь в строке 197 список передает новое значение в головной узел HeadNode. Метод HeadNode: :Insert(), в свою очередь, передает эти данные по адресу, хранящемуся в указателе myNext. Как вы помните, теперь он указывает на узел, содержащий объект типа Data со значением 15. В результате в строке 96 вызывается метод InternalNode::Insert(). В строке

100 указатель myData узла InternalNode сообщает объекту этого узла (значение которого сейчас равно 15) о необходимости вызвать метод Compare(), принимающий в качестве аргумеи'- та новый объект Data со значением 3. Метод Compare() объявлен в строке 41.

Происходит сравнение значений двух объектов, и, поскольку значение myValue соответствует 15, а theOtherData.myValue равно 3, метод возвращает константу kIsLarget. B соответствии со значением возвращенной константы программа переходит к выполнению строки 109.

Создается новый узел InternalNode для нового объекта данных. Новый узел будет указывать на текущий объект узла InternalNode, и адрес нового узла InternalNode возвращается методом InternalNode:;Insert() в головной узел HeadNode. Таким образом, новый узел, значение которого меньше значения текущего объекта, добавляется в связанный список, после чего связанный список выглядит так, как показано на рис, 12.8.

Натретьем цикле пользователь ввел значение 8. Оно больше чем 3, но меньше чем 15, поэтому программа должна ввести новый объект данных между двумя существующими промежуточными узлами. Последует та же серия операций, что и в предыдущем цикле, за тем исключением, что при вызове метода Compare() для объекта типа Data, значение кото- рогоравно 3, будет вОзвращена константа kIsSmaller, а не kIsLarger, как в предыдущем случае (поскольку значение текущего объекта 3 меньше значения нового объекта 8).

В результате метод InternalNode::Insert() переведет выполнение программы на строку 116. Вместо создания и ввода в список нового узла, новые данные будут переданы в метод Insert того объекта, на который ссылается указатель myNext текущего объекта. В данном случае будет вызван метод InsertNode для промежуточного узла, значение объекта которого равняется 15.

Вновь будет проведено сравнение данных, которое в этот раз завершится созданием нового промежуточного узла. Этот новый узел будет ссылаться на тот промежуточный узел, значение которого 15, а адрес нового узла будет присвоен указателю узла со значением 3, как показано в строке 116.

Рис. 12.8. Вид связанного списка после того, как был добавлен второй промежуточный узел

В результате новый узел вновь будет вставлен в правильную позицию.

Если вы переписали эту программу И запустили на своем компьютере, то с помощью средства отладки можно посмотреть, как будет происходить ввод других данных программой. Каждый раз будет проводиться сравнение данных и новые узлы будут добавляться в список строго в порядке возрастания значений.