Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi - Джулиан Бакнелл

var

GivenNode, NewNode : PSimpleNode;

begin

• • •

New(NewNode);

.. задать значение поля Data..

NewNode^.Next := GivenNode^.Next;

GivenNode^.Next := NewNode;

Рисунок 3.2. Вставка нового узла в односвязный список

Аналогично, для удаления простейшим вариантом является удаление элемента, находящегося после заданного узла. В этом случае мы устанавливаем, чтобы указатель Next заданного узла указывал на узел, расположенный после удаляемого. После этого удаляемый узел уже выделен из списка и может быть освобожден. В коде это выглядит следующим образом:

var

GivenNode, NodeToGo : PSimpleNode;

begin

• • •

NodeToGo := GivenNode^.Next;

GivenNode^.Next := NodeToGo^.Next;

Dispose(NodeToGo);

Рисунок 3.3. Удаление узла из односвязного списка

Тем не менее, для обеих операций существует специальный случай: вставка перед первым элементом списка (т.е. новый элемент становиться первым) и удаление первого элемента списка (т.е. первым становится другой элемент). Поскольку в наших рассуждениях первый элемент считается определяющим узлом всего списка, код для этих случаев нужно написать отдельно. Вставка перед первым узлом будет выглядеть следующим образом:

var

GivenNode, NewNode : PSimpleNode;

begin

• • •

New(NewNode);

.. задать значение поля Data..

NewNode^.Next := MyLinkedList;

MyLinkedList := NewNode;

а удаление будет выглядеть так:

var

GivenNode, NodeToGo : PSimpleNode;

begin

• • •

NodeToGo := GivenNode^.Next;

MyLinkedList := NodeToGo^.Next;

Dispose(NodeToGo);

Обратите внимание, что код вставки элемента будет работать даже в случае, когда исходный список пуст, т.е. содержит nil, а код удаления элемента правильно установит содержимое связного списка в случае удаления из него последнего узла.

Прохождение связного списка также не представляет никаких трудностей. Фактически мы переходим от узла к узлу по указателям Next до достижения указателя nil, который свидетельствует об окончании списка.

var

FirstNode, TempNode : PSimpleNode;

begin

• • •

TempNode := FirstNode;

while TempNode <> nil do

begin

Process(TempNode^.Data);

TempNode := TempNode^.Next;

end;

В этом простом цикле процедура Process (определенная в другом месте) выполняет обработку поля Data переданного ей узла. Очистка связного списка требует небольшого изменения алгоритма, чтобы гарантировать, что мы не ссылаемся на поле Next после освобождения узла (довольно-таки частая ошибка).

var

MyLinkedList, TempNode, NodeToGo : PSimpleNode;

begin

NodeToGo := MyLinkedList;

while NodeToGo <> nil do

begin

TempNode := NodeToGo^.Next;

Dispose(NodeToGo);

NodeToGo := TempNode;

end;

MyLinkedList :=nil;

Теперь, когда мы научились проходить по узлам связного списка, давайте вернемся к вопросу, который, наверное, появился у вас пару абзацев назад. А что если нам нужно вставить узел перед заданным узлом? Как это сделать? Единственным решением такой задачи для односвязного списка является прохождение списка и поиск узла, перед которым мы должны вставить новый узел. При прохождении будут использоваться две переменных: одна будет указывать на текущий, а вторая на предыдущий узел (родительский узел, если можно так сказать). Когда будет найден заданный узел, у нас будет указатель на предыдущий узел, что позволит использовать алгоритм вставки после заданного узла. В коде это выглядит следующим образом:

var

FirstNode, GivenNode, TempNode,

ParentNode : PSimpleNode;

begin

ParentNode := nil;

TempNode := FirstNode;

while TempNode <> GivenNode do

begin

ParentNode := TempNode;

TempNode := ParentNode^.Next;

end;

if TempNode = GivenNode then begin

if (ParentNode = nil) then begin

NewNode^.Next := FirstNode;

FirstNode := NewNode;

end

else begin

NewNode^.Next := ParentNode^.Next;

ParentNode^.Next := NewNode;

end;

end;

Обратите внимание на специальный код для случая вставки нового узла перед первым узлом (в этом случае родительский узел nil). Код для вставки перед заданным узлом медленнее кода вставки после заданного узла, поскольку он требует прохождения списка с целью обнаружения родительского узла заданного узла. В общем случае, при необходимости вставки нового узла перед заданным мы будет использовать двухсвязный список, который будет подробно рассмотрен немного ниже.

Соображения по поводу эффективности

Если бы это было все, что можно сказать о связных списках, то глава оказалась бы очень короткой. До сих пор была представлена только реализация класса, инкапсулирующего односвязный список. Но перед написанием класса связного списка нужно рассмотреть еще несколько вопросов, касающихся, в частности, эффективности.

Использование начального узла

Еще раз просмотрите код вставки и удаления элемента связного списка. Не кажется ли вам неудобным наличие двух случаев для обеих операций? Отдельные специальные случаи нужны для обработки вставки и удаления первого узла - операция, которая, возможно, будет выполняться не очень часто. Может быть, существует другой способ? Другой способ действительно есть, он предусматривает использование фиктивного начального узла. Фиктивный начальный узел - это узел, который нужен только в качестве заполнителя, в нем не будут храниться данные. Первым реальным узлом будет тот, на который указывает указатель Next фиктивного узла. Связный список, как и раньше, заканчивается узлом, указатель Next которого равен nil. При создании такого списка его нужно правильно инициализировать, выделив память под начальный узел и установив его указатель Next равным nil.

var

HeadNode : PSimpleNode;

begin

• • •

New(HeadNode);

HeadNode^.Next := nil;

После этой небольшой подготовительной части все вставки и удаления можно будет выполнять с помощью операций "вставить после" и "удалить после". Операция "вставить после первого узла" сводится к вставке нового элемента после фиктивного узла, а операция "удалить первый узел" превращается в удаление элемента после начального узла. За счет использования фиктивного начального узла нам удалось избежать специальных случаев.

Конечно, введение фиктивного начального узла усложнило реализацию класса: теперь при создании нового связного списка нам нужно распределить и инициализировать дополнительный узел, а при удалении списка - уничтожить этот узел.

Использование диспетчера узлов

Перед написанием класса связного списка нужно рассмотреть еще один вопрос. Мы начали с того, что объявили тип узла как запись (тип TSimpleNode), в которой хранятся (1) данные и (2) указатель на следующий узел списка. Второе поле записи удалить нельзя - оно требуется для организации связного списка. Но первое зависит от приложения или конкретного использования списка в данный момент. Фактически поле данных может представлять собой не одно, а несколько полей в отдельной записи или даже объект. Очень сложно написать общий класс связного списка, если неизвестен тип данных, который будет в нем содержаться.

Однако решение этой задачи существует, даже целых два. Первое - объявить класс родительского узла, который бы содержал только указатель Next, а пользователь сам в дочернем классе объявит элементы, содержащие данные узла. В таком случае реализация базового класса будет распределять и освобождать память для узла, поскольку все, что нужно для организации связного списка - это выделенные узлы, указателями Next которых можно манипулировать. Такое решение одновременно является как элегантным, так и неэлегантным. Оно соответствует парадигме объектно-ориентированного программирования, но для хранения данных приходится объявлять дочерний класс (а что если элементы, которые необходимо поместить в список, являются экземплярами класса, над которым вы не имеете контроля?).

Второе решение, которое можно считать более удачным, - представить данные в форме нетипизированного указателя. (Для этого имеются все предпосылки - в Delphi подобным образом работает стандартный класс TList.) При добавлении элемента в связный список классу списка передается только значение указателя (скажем, указателя на данные или объект в куче), а все остальное делает сам список: распределяет память под узел, устанавливает значения данных и манипулирует ссылками. Это решение обходит проблему незнания типа данных, поскольку пользователь класса может не беспокоиться об указателях Next, не должен распределять для них память, создавать специальные дочерние классы и т.д.

Но это второе решение имеет свой недостаток. Размер используемых классом узлов всегда будет равен 8 байтам - по 4 байта для указателя и данных.

-------

Обратите внимание, что в приведенных выше рассуждениях считается, что размер указателей составляет 4 байта. Можно предположить, что последующие версии Delphi будут написаны для 64-разрядных операционных систем. В таком случае длина указателей будет составлять 8 байт. Поэтому не основывайтесь на предположении, что длина указателя всегда 4 байта, пользуйтесь функцией sizeof(pointer). В будущем это существенно упростит перенос кода в новые версии Delphi. Тем не менее, в настоящей главе считается, что длина указателя составляет 4 байта, даже несмотря на то, что в коде используется sizeof(pointer). Такое допущение позволяет упростить выкладки, поскольку можно просто сказать "8 байт", а не "удвоенное значение sizeof(pointer)".