P1【知识点】【数据结构】【链表LinkedList】C++版

链表是一种逻辑上连续，内存上分散的线性表数据结构，是用一组任意的空间（可以连续，也可以不连续）来存放数据元素。每个数据元素成为一个”结点“，每个结点由数据域和指针域组成。

访问元素（Access）O(N)
搜索元素（Search）O(N)
插入元素（Insert）O(1)
删除元素（Delete）O(1)

特点：写的快读的慢（应用于写多读少）

最基本的链表如图所示：

以下参考：数据结构：链表及其C++实现 - 菜鸡刘 - 博客园 (cnblogs.com)

插入操作：

假如需要在C结点后面插入F结点，只需要使C结点的指针指向F，F结点的指针指向结点D即可，如图所示

需要注意的是，在具体实现的时候，需要先暂存C结点的指针，先将其赋值给F结点指针，然后再将F结点的地址赋值给C结点的指针，否则会丢失D结点的地址，链表就会在此处断开。

删除操作：

假如需要删除D结点，则直接让C结点的指针指向E结点即可，如图所示

具体代码实现：

本文利用C++面向对象的特性与模板实现了一个链表类，并实现了插入、删除、查找、拷贝构造、拷贝赋值等基本操作。

结点类实现：

// 链表节点类
template<typename T>
class node
{
public:
    node() : next(nullptr){} // 这是构造函数
    node(T val) : data(val), next(nullptr) {} // 这是有参构造
private:
    T data;
    node* next;
    friend class list<T>; //同时在node类中将链表类list声明为友元，便于访问node的成员。
};

链表类声明：

链表类list的声明如下，主要实现了以下操作。list类包含两个成员属性head_ptr和length，前者是链表的头指针，后者储存链表的长度。

template<typename T>
class list
{
public:
    list(); // 构造函数
    list(const list<T>& l); // 拷贝构造
    list<T>& operator= (const list<T>& l); // 拷贝赋值 
    void insert_node(int index, T val); // 在index处插入结点
    void del_node(int index); // 删除index处结点
    T get_node(int index); // 获取index处结点值
    int find(int value); // 查找值value，找到返回index，找不到返回-1
    int get_length(); // 获取链表长度
    void push_back(T val); // 在链表尾部插入数据
    ~list(); // 析构函数

private:
    node<T>* head_ptr; // 链表头指针
    int length; // 链表长度
};

插入实现：

对于插入操作，本文将其分为了三种情况

超出索引，抛出异常
插在空链表的头
一般情况

// 在index处插入结点
template<typename T>
void list<T>::insert_node(int index, T val)
{
    if((index > this->length)) // 超过索引，最多可以插到当前结点的下一个结点，否则就是超过索引
    {
        throw runtime_error("index out of this list`s range");
    }
    else if((this->head_ptr == nullptr) && (index == 0)) // 插在空链表的头
    {
        this->head_ptr = new node<T>;
        this->head_ptr->next = nullptr;
        this->head_ptr->data = val;
        this->length++;
    } 
    else // 一般情况
    {
        node<T>* p1 = this->head_ptr;
        node<T>* p2 = new node<T>;
        for(int i = 0; i < index - 1; i++)
        {
            p1 = p1->next;
        }
        p2->data = val;
        p2->next = p1->next;
        p1->next = p2;
        this->length++;
    }
}

删除实现：

删除操作需要注意的是，每个结点都是通过new在堆区申请的内存，因此删除节点需要手动释放其内存。

// 删除index处结点
template<typename T>
void list<T>::del_node(int index)
{
    node<T>* p1 = this->head_ptr;
    node<T>* p2 = nullptr;
    for(int i = 0; i < index - 1; i++)
    {
        p1 = p1->next;
    }
    p2 = p1->next->next;
    delete p1->next;
    p1->next = p2;
    this->length--;
}

索引实现：

// 获取index处结点值
template<typename T>
T list<T>::get_node(int index)
{
    if(index > this->length - 1) // 超过索引
    {
        throw runtime_error("index out of this list`s range");
    }
    
    node<T>* p1 = this->head_ptr;
    for(int i = 0; i < index; i++)
    {
        p1 = p1->next;
    }

    return p1->data;
}

查找实现：

// 查找值value，找到返回index，找不到返回-1
template<typename T>
int list<T>::find(int value)
{
    node<T>* p1 = this->head_ptr;
    for(int i = 0; i < this->length; i++)
    {
        if(p1->data == value)
        {
            return i;
        }
        p1 = p1->next;
    }

    return -1;
}

析构实现：

析构函数需要做的就是释放链表每个节点的内存。

// 析构函数
template<typename T>
list<T>::~list()
{
    // 清空链表
    node<T>* p1 = this->head_ptr;
    node<T>* p2 = p1->next;
    while(p2 != nullptr)
    {
        delete p1;
        p1 = p2;
        p2 = p2->next;
    }
    delete p1;
    this->length = 0;
    this->head_ptr = nullptr;

}