C++中单向链表类模板和iterator迭代器类的示例分析

这篇文章主要介绍了c++中单向链表类模板和iterator迭代器类的示例分析，具有一定借鉴价值，感兴趣的朋友可以参考下，希望大家阅读完这篇文章之后大有收获，下面让小编带着大家一起了解一下。

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 1cout<<"from index1 find 2 :"<<list.indexOf(2, 1)<<endl; //returns 1cout<<"from index2 find 2 :"<<list.indexOf(2, 2)<<endl; //从索引号2开始查找,returns 3cout<<"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);}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};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));}        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;    }        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;    }        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;    }        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;    }        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;    }        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;    }};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:

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:

感谢你能够认真阅读完这篇文章，希望小编分享的“C++中单向链表类模板和iterator迭代器类的示例分析”这篇文章对大家有帮助，同时也希望大家多多支持编程网，关注编程网其他教程频道，更多相关知识等着你来学习!