Для чего используется указатель в кольцевых списках

Связные списки, трюки с указателями и хороший вкус

В интервью на TED 2016 (14:10) Линус Торвальдс рассказывает о хорошем стиле программирования. В качестве примера приводит два варианта удаления элементов из односвязных списков (см. ниже). В первом варианте есть специальный случай, а в другом — нет. Линус предпочитает второй.

[. ] Не надо размышлять, почему здесь нет оператора if. Важно посмотреть на задачу с другой стороны и переписать её так, чтобы особый случай исчез и стал обычным случаем, и это хороший код. — Л. Торвальдс

В качестве примера Линус показывает достаточно простой псевдокод в стиле Си. Но не даёт концептуального объяснения. Поэтому не сразу понятно, как работает косвенный указатель.

Подробно разберём это решение и его преимущества. В качестве бонуса показано не только удаление, но и вставка элемента через косвенную адресацию.

Базовая структура данных для односвязного списка целых чисел показана на рис. 1.

Рис. 1. Односвязный список из целых чисел

Реализация структуры данных на Си:

Также (минимальный) API:

Базовая версия

Рис. 2. Концептуальная модель структуры данных списка в базовом алгоритме

Более элегантное решение

В более элегантной версии меньше кода, и она не требует отдельной ветви для удаления первого элемента в списке.

Как это работает?

Косвенный указатель p даёт два концептуальных преимущества:

Интеграция указателя head

Элегантная реализация использует схему косвенной адресации, которая даёт другое представление о структуре данных:

Рис. 3. Концептуальная модель структуры данных списка в более элегантном решении

Здесь p представляет тип IntListItem** и содержит адрес указателя на текущий элемент списка. Когда указатель продвигается вперёд, его адрес меняется на следующий элемент.

В коде это выглядит как p = &(*p)->next :

Последний штрих

Дополнительным преимуществом этой конкретной интерпретации является то, что она на протяжении всего обхода допускает редактирование указателя next для предшественника текущего элемента.

Если p содержит адрес указателя на элемент списка, сравнение в цикле поиска становится таким:

Новое применение

Вставка перед существующим элементом

Во-первых, добавим следующую декларацию в list.h :

Функция возьмёт указатель на список l, указатель перед элементом в этом списке и указатель на новый элемент списка, который функция вставит перед ним.

Быстрый рефакторинг

Прежде чем двигаться дальше, оформим цикл поиска в отдельную функцию:

и используем её в remove_elegant() :

Реализация insert_before()

Особенно радует цельная семантика для крайних случаев: если before указывает на заголовок списка, новый элемент будет вставлен в начало, если before является нулевым или недействительным (то есть не существует в l ), новый элемент будет добавлен в конце.

Заключение

Предпосылкой более элегантного решения для удаления элементов является одно простое изменение: косвенный указатель IntListItem** для итерации указателей на элементы списка. Всё остальное вытекает оттуда: отпадает необходимость в специальных случаях или ветвлениях. Достаточно одного итератора, чтобы найти и удалить целевой элемент. И оказывается, что тот же подход обеспечивает элегантное решение для вставки вообще и для вставки перед существующим элементом в частности.

Итак, возвращаясь к первоначальному замечанию Линуса: это показатель хорошего вкуса? Трудно сказать. Но явно налицо творческое и очень элегантное решение хорошо известной задачи.

Источник

Для чего используется указатель в кольцевых списках

«Щас по списку и пойдем. »

Реальное многообразие структур данных базируется всего на двух основных способах получения адреса хранимого элемента: вычисление (массив) и хранение (указатель). До сих пор основной компонентой структуры данных являлся массив (обычный массив, массив указателей). Если же попытаться построить структуру данных, исходя только из указателей, то получается цепочка (последовательность) элементов, содержащих указатели друг на друга. В простейшем случае она может быть линейной (список), в более сложных случаях – ветвящейся (деревья, графы). Итак, список – линейная последовательность элементов, каждый из которых содержит указатели (ссылается) на своих соседей.

рис. 63-1. Списковая структура

Сразу же отметим основную особенность: физическое размещение в памяти элементов списка не имеет никакого значения, все определяется наличием ссылок на него в других элементах и извне. У массива всегда есть «начало». У списка по определению отсутствует фиксированная привязка к памяти. Перечислим основные релятивистские свойства списка :

· элемент списка доступен в программе через указатель. «Смысл» этого указателя отражает функциональное назначение элемента списка в программе: первый, последний, текущий, предыдущий, новый и т.п.. Между указателем и элементом списка имеется такая же взаимосвязь, как между индексом в массиве и элементом массива;

· в программе список задается посредством заголовка – указателя на первый элемент списка;

· порядок следования элементов определяется последовательностью связей между элементами. Изменение порядка следования элементов (вставка, удаление) осуществляются изменением переустановкой указателей на соседние элементы.

· список удобен для использования именно как динамическая структура данных: элементы списка обычно создаются как динамические переменные, а связи между ними устанавливаются программно (динамически);

Отсюда следует, что преимущества списков проявляются в таких структурах данных, где операции изменения порядка превалируют над операциями доступа и поиска.

Определение списка и работа с ним

Повторим все то же самое, но уже в терминах языка программирования. Начнем с элемента списка. Он является составной (структурированной) переменной, содержащей собственно хранимые данные и указатели на соседей:

struct elem // определение структурированного типа

elem *next; // единственный указатель или

elem *next,*pre v ; // два указателя или

elem *links[10]; // ограниченное количество указателей (не больше 10) или

elem **plinks; // произвольное количество указателей (внешний МУ)

Переменная такого типа может содержать одну, две, не более 10 и произвольное (динамический массив) количество указателей на аналогичные переменные. Но это еще не список, а описание его составляющих (элементов) как типа данных. Из него следует только, что каждый из них ссылается на аналогичные элементы. Никак нельзя определить ни количества таких переменных в структуре данных, ни характера связей между ними (последовательный, циклический, произвольный). Следовательно, конкретный тип структуры данных (линейный список, дерево, граф) зависит от функций, которые с ней работают. Значит, структура данных «зашита» не столько в этом определении, сколько в алгоритмах, работающих с этим типом.

Списковые структуры данных обычно являются динамическими по двум причинам:

· сами переменные таких структур создаются как динамические переменные, то есть количество их может быть произвольным;

· количество связей между переменными и их характер также определяются динамически в процессе работы программы.

В зависимости от связей списки бывают следующих видов:

Оставим пока за кадром вопрос, а как же создаются списки. Ибо в динамической структуре данных мы попадаем в замкнутый круг: чтобы работать со структурой данных, необходимо ее создать, а при создании нужно знать технологические приемы работы с ней.

Источник

Связные списки

Связный список является простейшим типом данных динамической структуры, состоящей из элементов ( узлов, nodes ). Каждый узел включает в себя в классическом варианте два поля:

Элементы связанного списка можно помещать и исключать произвольным образом.

Классификация списков

По количеству полей указателей различают однонаправленный (односвязный) и двунаправленный (двусвязный) списки.

По способу связи элементов различают линейные и циклические списки.

Виды списков

Таким образом, различают 4 основных вида списков.

Сравнение массивов и связных списков

Односвязный линейный список

Каждый узел однонаправленного (односвязного) линейного списка (ОЛС) содержит одно поле указателя на следующий узел. Поле указателя последнего узла содержит нулевое значение (указывает на NULL).

Узел ОЛС можно представить в виде структуры

1. Инициализация односвязного линейного списка

Инициализация списка предназначена для создания корневого узла списка, у которого поле указателя на следующий элемент содержит нулевое значение.

2. Добавление узла в односвязный линейный список

Функция добавления узла в список принимает два аргумента:

Процедуру добавления узла можно отобразить следующей схемой:

Добавление узла в ОЛС включает в себя следующие этапы:

Таким образом, функция добавления узла в ОЛС имеет вид:

3. Вывод элементов списка

В качестве аргумента в функцию вывода элементов передается указатель на корень списка.
Функция осуществляет последовательный обход всех узлов с выводом их значений.

4. Поиск элемента списка

В качестве аргумента в функцию поиска элемента передается указатель на корень списка и значение, которое необходимо найти. В качестве возвращаемого значения получаем указатель на элемент списка с искомым значением.
Функция осуществляет последовательный обход всех узлов, сравнивая их значение с искомым, и останавливается на первом найденом элементе, возвращая указатель на него.

5. Удаление узла ОЛС

В качестве аргументов функции удаления элемента ОЛС передаются указатель на удаляемый узел, а также указатель на корень списка.
Функция возвращает указатель на узел, следующий за удаляемым.

Удаление узла может быть представлено следующей схемой:

Удаление узла ОЛС включает в себя следующие этапы:

Удаление корня списка

Взаимообмен узлов ОЛС

В качестве аргументов функция взаимообмена ОЛС принимает два указателя на обмениваемые узлы, а также указатель на корень списка. Функция возвращает адрес корневого элемента списка.

Взаимообмен узлов списка осуществляется путем переустановки указателей. Для этого необходимо определить предшествующий и последующий узлы для каждого заменяемого. При этом возможны две ситуации:

При замене соседних узлов переустановка указателей выглядит следующим образом:

При замене узлов, не являющихся соседними переустановка указателей выглядит следующим образом:

При переустановке указателей необходима также проверка, является ли какой-либо из заменяемых узлов корнем списка, поскольку в этом случае не существует узла, предшествующего корневому.

Функция взаимообмена узлов списка выглядит следующим образом:

Источник

Реализация односвязного списка на c++

Эта картинка демонстрирует, как будет выглядеть односвязный список.

Реализация узла

Значение, которое будет задавать пользователь

Указатель на следующий элемент (по умолчанию nullptr)

Реализация односвязного списка

Указатель на первый узел

Указатель на последний узел

Функция проверки наличия узлов в списке

Функция добавления элемента в конец списка

Функция печати всего списка

Функция поиска узла в списке по заданному значению

Функция удаления первого узла

Функция удаления последнего узла

Функция удаления узла по заданному значению значению

Функция обращения к узлу по индексу (дополнительная функция)

Реализация 1-3 пункта

Функция проверки наличия узлов в списке

Функция добавления элемента в конец списка

Здесь надо рассмотреть два случая:

В обоих случаях надо создать сам узел со значением, которое мы передали в эту функцию.

Первый случай:

Здесь нам как раз пригодиться функция проверки наличия узлов. Если список пустой, тогда мы присваиваем указателю на первый узел и последний узел указатель на новый узел и выходим из функции.

Второй случай:

Нам уже не нужно проверка наличия узлов в списке, так как если первый случай не происходит, то в списке есть узлы. Раз мы добавляем в конец, надо указать, что новый узел стоит после последнего узла. Затем мы меняем значения указателя last.

Теперь в список можно добавлять элементы.

Функция печати всего списка

Тест уже написанных функций

Код который мы написали:

Функция поиска узла в списке по заданному значению

Также делаем проверку is_empty() и создаём указатель p на первый узел

Обходим список, пока указатель p не пустой и пока значение узла p не равно заданному значению. После цикла возвращаем наш узел

Функция удаления первого узла

Функция удаления последнего узла

Конец списка одновременно и начало

Когда размер списка больше одного

Первый случай:

Сравниваем указатель на первый узел и указатель на последний узел, если они равны, то вызываем функцию удаления первого узла.

Второй случай:

Функция удаления узла по заданному значению значению

Делаем проверку is_empty(). И рассматриваем уже три случая:

Узел, который нам нужен, равен первому

Узел, который нам нужен, равен последнему

Когда не первый и не второй случаи

Первый случай:

Сравниваем значение первого узла с заданным значением, если значения совпадают, тогда вызываем функцию удаления первого узла.

Второй случай:

Сравниваем значение последнего узла с заданным значением, если значения совпадают, тогда вызываем функцию удаления последнего узла.

Третий случай:

Функция обращения к узлу по индексу

Для этой функции надо перегрузить оператор []

Тест программы

Заключение

Вот Вы и научились реализовывать односвязный список, и, надеюсь, стали лучше его понимать.

Источник

Односвязный циклический список

Каждый узел однонаправленного (односвязного) циклического списка (ОЦС) содержит одно поле указателя на следующий узел. Поле указателя последнего узла содержит адрес корневого элемента.

Узел ОЦС можно представить в виде структуры, аналогичной односвязному линейному списку

Основные действия, производимые над элементами ОЦС:

Поскольку список является циклическим, реализация отдельной функции для удаления корня списка не требуется.

Инициализация ОЦС

Инициализация списка предназначена для создания корневого узла списка, у которого поле указателя на следующий элемент содержит адрес самого корневого элемента.

Добавление узла в ОЦС

Функция добавления узла в список принимает два аргумента:

Процедуру добавления элемента можно отобразить следующей схемой:

Добавление элемента в ОЦС включает в себя следующие этапы:

Таким образом, функция добавления узла в ОЦС имеет вид, полностью аналогичный функции добавления узла в односвязный линейный список:

Возвращаемым значением функции является адрес добавленного узла.

Удаление узла ОЦС

В качестве аргументов функции удаления узла ОЦС передается указатель на удаляемый узел. Поскольку список циклический, нет необходимости передавать указатель на корень списка.

Функция возвращает указатель на узел, следующий за удаляемым.

Удаление узла может быть представлено следующей схемой:

Удаление узла ОЦС включает в себя следующие этапы:

Вывод элементов ОЦС

Функция вывода элементов ОЦС аналогична функции для ОЛС за исключением условия окончания обхода элементов.
В качестве аргумента в функцию вывода элементов передается указатель на корень списка.
Функция осуществляет последовательный обход всех узлов с выводом их значений.

Для ОЦС также можно вызвать функцию вывода элементов списка начиная с любого узла.

Взаимообмен узлов ОЦС

В качестве аргументов функция взаимообмена ОЦС принимает два указателя за обмениваемые узлы, а также указатель на корень списка. Функция возвращает адрес корневого узла списка.

Взаимообмен узлов списка осуществляется путем переустановки указателей. Для этого необходимо определить предшествующий и последующий узлы для каждого заменяемого. При этом возможны две ситуации:

При замене соседних узлов переустановка указателей выглядит следующим образом:

При замене узлов, не являющихся соседними переустановка указателей выглядит следующим образом:

При переустановке указателей необходимость в проверке корневого узла отсутствует (в отличие от аналогичной функции для ОЛС).

Функция взаимообмена узлов списка выглядит следующим образом:

Источник