C++图解单向链表类模板和iterator迭代器类模版详解

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.

2.1indexOf()函数示例如下所示:

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:

3.实现一个迭代器来优化链表遍历

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:

总结

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