03.链表设计思想和用途
目录介绍
- 01.什么是指针或引用
- 02.指针丢失和内存泄漏
- 03.单链表插入和删除
- 04.留意边界条件处理
- 05.各种链表的
01.什么是指针或引用
- 事实上,看懂链表的结构并不是很难,但是一旦把它和指针混在一起,就很容易让人摸不着头脑。所以,要想写对链表代码,首先就要理解好指针。
- 有些语言有“指针”的概念,比如 C 语言;有些语言没有指针,取而代之的是“引用”,比如 Java、Python。不管是“指针”还是“引用”,实际上,它们的意思都是一样的,都是存储所指对象的内存地址。
- 接下来,拿 C 语言中的“指针”来讲解,如果你用的是Java或者其他没有指针的语言也没关系,你把它理解成“引用”就可以了。
- 实际上,对于指针的理解,你只需要记住下面这句话就可以了:
- 将某个变量赋值给指针,实际上就是将这个变量的地址赋值给指针,或者反过来说,指针中存储了这个变量的内存地址,指向了这个变量,通过指针就能找到这个变量。这句话听起来还挺拗口的,你可以先记住。我们回到链表代码的编写过程中,我来慢慢给你解释。
- 在编写链表代码的时候,我们经常会有这样的代码:p->next=q。这行代码是说,p 结点中的 next 指针存储了 q 结点的内存地址。
- 还有一个更复杂的,也是我们写链表代码经常会用到的:p->next=p->next->next。这行代码表示,p 结点的 next 指针存储了 p 结点的下下一个结点的内存地址。
02.指针丢失和内存泄漏
- 不知道你有没有这样的感觉,写链表代码的时候,指针指来指去,一会儿就不知道指到哪里了。所以,我们在写的时候,一定注意不要弄丢了指针。+指针往往都是怎么弄丢的呢?我拿单链表的插入操作为例来给你分析一下
image - 如图所示,我们希望在结点 a 和相邻的结点 b 之间插入结点 x,假设当前指针 p 指向结点 a。
- 如果我们将代码实现变成下面这个样子,就会发生指针丢失和内存泄露。
p->next = x; // 将 p 的 next 指针指向 x 结点; x->next = p->next; // 将 x 的结点的 next 指针指向 b 结点;
- 初学者经常会在这儿犯错。p->next+指针在完成第一步操作之后,已经不再指向结点 b 了,而是指向结点 x。第 2 行代码相当于将 x 赋值给 x->next,自己指向自己。因此,整个链表也就断成了两半,从结点 b 往后的所有结点都无法访问到了。
- 对于有些语言来说,比如 C 语言,内存管理是由程序员负责的,如果没有手动释放结点对应的内存空间,就会产生内存泄露。所以,我们插入结点时,一定要注意操作的顺序,要先将结点 x 的 next 指针指向结点 b,再把结点 a 的 next 指针指向结点 x,这样才不会丢失指针,导致内存泄漏。所以,对于刚刚的插入代码,我们只需要把第 1 行和第 2 行代码的顺序颠倒一下就可以了。
- 同理,删除链表结点时,也一定要记得手动释放内存空间,否则,也会出现内存泄漏的问题。当然,对于像 Java 这种虚拟机自动管理内存的编程语言来说,就不需要考虑这么多了。
03.单链表插入和删除
- 先来回顾一下单链表的插入和删除操作。如果我们在结点p后面插入一个新的结点,只需要下面两行代码就可以搞定。
new_node->next = p->next; p->next = new_node;
- 当我们要向一个空链表中插入第一个结点,刚刚的逻辑就不能用了。我们需要进行下面这样的特殊处理,其中 head 表示链表的头结点。所以,从这段代码,我们可以发现,对于单链表的插入操作,第一个结点和其他结点的插入逻辑是不一样的。
if (head == null) { head = new_node; }
- 再来看单链表结点删除操作。如果要删除结点 p 的后继结点,我们只需要一行代码就可以搞定。
p->next = p->next->next;
- 但是,如果我们要删除链表中的最后一个结点,前面的删除代码就不work了。跟插入类似,我们也需要对于这种情况特殊处理。写成代码是这样子的:
if (head->next == null) { head = null; }
- 从前面的一步一步分析,我们可以看出,针对链表的插入、删除操作,需要对插入第一个结点和删除最后一个结点的情况进行特殊处理。这样代码实现起来就会很繁琐,不简洁,而且也容易因为考虑不全而出错。如何来解决这个问题呢?
- 还记得如何表示一个空链表吗?head=null 表示链表中没有结点了。其中 head 表示头结点指针,指向链表中的第一个结点。
- 如果我们引入哨兵结点,在任何时候,不管链表是不是空,head 指针都会一直指向这个哨兵结点。我们也把这种有哨兵结点的链表叫带头链表。相反,没有哨兵结点的链表就叫作不带头链表。
- 画了一个带头链表,你可以发现,哨兵结点是不存储数据的。因为哨兵结点一直存在,所以插入第一个结点和插入其他结点,删除最后一个结点和删除其他结点,都可以统一为相同的代码实现逻辑了。
image
- 实际上,这种利用哨兵简化编程难度的技巧,在很多代码实现中都有用到,比如插入排序、归并排序、动态规划等。这些内容我们后面才会讲,现在为了让你感受更深,我再举一个非常简单的例子。代码我是用 C 语言实现的,不涉及语言方面的高级语法,很容易看懂,你可以类比到你熟悉的语言。
- 代码一:
int find(char* a, int n, char key) { int i = 0; while (i < n) { if (a[i] == key) { return i; } ++i; } return -1; }
- 代码二:
inf find(char* a, int n, int key) { if (a[n-1] == key) { return n-1; } char tmp = a[n-1]; a[n-1] = key; int i = 0; while (a[i] != key) { ++i; } a[n-1] = tmp; if (i == n-1) return -1; return i; }
- 对比两段代码,在字符串a很长的时候,比如几万、几十万,你觉得哪段代码运行得更快点呢?答案是代码二,因为两段代码中执行次数最多就是 while 循环那一部分。第二段代码中,我们通过一个哨兵 a[n-1] = key,成功省掉了一个比较语句i<n,不要小看这一条语句,当累积执行万次、几十万次时,累积的时间就很明显了。
04.留意边界条件处理
- 软件开发中,代码在一些边界或者异常情况下,最容易产生 Bug。链表代码也不例外。要实现没有 Bug 的链表代码,一定要在编写的过程中以及编写完成之后,检查边界条件是否考虑全面,以及代码在边界条件下是否能正确运行。
- 我经常用来检查链表代码是否正确的边界条件有这样几个:
- 如果链表为空时,代码是否能正常工作?
- 如果链表只包含一个结点时,代码是否能正常工作?
- 如果链表只包含两个结点时,代码是否能正常工作?
- 代码逻辑在处理头结点和尾结点的时候,是否能正常工作?
- 当你写完链表代码之后,除了看下你写的代码在正常的情况下能否工作,还要看下在上面我列举的几个边界条件下,代码仍然能否正确工作。如果这些边界条件下都没有问题,那基本上可以认为没有问题了。
- 当然,边界条件不止我列举的那些。针对不同的场景,可能还有特定的边界条件,这个需要你自己去思考,不过套路都是一样的。+实际上,不光光是写链表代码,你在写任何代码时,也千万不要只是实现业务正常情况下的功能就好了,一定要多想想,你的代码在运行的时候,可能会遇到哪些边界情况或者异常情况。遇到了应该如何应对,这样写出来的代码才够健壮!