C++中链表的介绍和使用
C++是一个面向对象的编程语言,具有高效、灵活、易用等优点,在实际的编程工作中广受程序员们的喜爱。在C++中,链表是一种常见的数据结构,可用于存储和管理一系列元素。本文将简要介绍C++中链表的概念、特点以及应用方法。
一、链表的概念和特点
链表是一种由节点集合构成的数据结构,节点包括两个部分:数据域和指针域。数据域用于存储节点的数据信息,指针域指向下一个节点,将一系列元素连接成一条链,故称之为“链表”。
链表的一个重要特点是可以动态地分配节点的空间,使得链表在空间利用上比较灵活,方便对元素的插入、删除等操作。此外,链表的访问时间通常是O(n),也就是说,访问某个具体的元素需要进行整个链表的遍历,因此链表在一些应用场合几乎无法取代数组。
二、链表的实现方法
C++中链表的实现方法有多种,本文主要介绍两种:单链表和双向链表。
1. 单链表
单链表是最基本的链表形式,每个节点只有一个指针,指向下一个节点。对于单链表,需要维护头结点和尾节点的指针,便于向前或向后遍历链表。其实现方法如下:
class Node{ //节点类的定义
public:
int data; //节点数据域
Node* next; //节点指针域
Node(int data, Node* next); //构造函数
};
Node::Node(int data, Node* next) //定义构造函数
this->data = data;
this->next = next;
class LinkedList{ //链表类的定义
public:
LinkedList(); //构造函数
~LinkedList(); //析构函数
void AddNode(int data); //添加节点
void DeleteNode(int data); //删除节点
void PrintList(); //输出链表
private:
Node* head; //头结点指针
Node* tail; //尾节点指针
};
LinkedList::LinkedList() //定义构造函数
head = tail = NULL;
LinkedList::~LinkedList() //定义析构函数
{
Node* p = head;
while (p) {
Node* q = p->next;
delete p;
p = q;
}
head = tail = NULL;
}
void LinkedList::AddNode(int data) //定义添加节点的函数
{
Node* p = new Node(data, NULL);
if (tail == NULL)
head = tail = p;
else
tail->next = p;
tail = p;
}
void LinkedList::DeleteNode(int data) //定义删除节点的函数
{
Node* p = head, * q = NULL;
while (p && p->data != data)
q = p;
p = p->next;
if (p) {
if (p == head)
head = head->next;
else if (p == tail)
tail = q;
q->next = NULL;
else
q->next = p->next;
delete p;
}
}
void LinkedList::PrintList() //定义输出链表函数
{
Node* p = head;
while (p)
cout << p->data << " ";
p = p->next;
}
2. 双向链表
双向链表是一种每个节点有两个指针的链表形式,指向前一个节点和后一个节点。相对于单链表,双向链表更易于对链表中元素进行双向遍历,在某些搜索问题中比单链表更加高效。其实现方法如下:
class DNode{ //双向链表节点类的定义
public:
int data; //节点数据域
DNode* prev; //指向前一个节点
DNode* next; //指向后一个节点
DNode(int data, DNode* prev, DNode* next);
};
DNode::DNode(int data, DNode* prev, DNode* next) //定义构造函数
this->data = data;
this->prev = prev;
this->next = next;
class DLinkedList { //双向链表类的定义
public:
DLinkedList(); //构造函数
~DLinkedList(); //析构函数
void AddNode(int data); //添加节点
void DeleteNode(int data); //删除节点
void PrintList(); //输出链表
private:
DNode* head; //头结点指针
DNode* tail; //尾节点指针
};
DLinkedList::DLinkedList() //定义构造函数
head = tail = NULL;
DLinkedList::~DLinkedList() //定义析构函数
{
DNode* p = head;
while (p) {
DNode* q = p->next;
delete p;
p = q;
}
head = tail = NULL;
}
void DLinkedList::AddNode(int data) //定义添加节点函数
{
DNode* p = new DNode(data, NULL, NULL);
if (tail == NULL)
head = tail = p;
else
tail->next = p;
p->prev = tail;
tail = p;
}
void DLinkedList::DeleteNode(int data) //定义删除节点函数
{
DNode* p = head;
while (p && p->data != data)
p = p->next;
if (p) {
if (p == head)
head = head->next;
head->prev = NULL;
else if (p == tail)
tail = tail->prev;
tail->next = NULL;
else
p->prev->next = p->next;
p->next->prev = p->prev;
delete p;
}
}
void DLinkedList::PrintList() //定义输出链表函数
{
DNode* p = head;
while (p)
cout << p->data << " ";
p = p->next;
}
三、链表的应用
链表在编程中有着广泛的应用,可以用于数据的存储、排序、查找、垃圾回收等。下面介绍两个常见的例子。
1. 单链表实现栈
栈是一种后进先出的数据结构,常用于表达式求值、括号匹配等场合。通过单链表实现栈的代码如下:
class Stack{ //栈类的定义
public:
Stack(); //构造函数
bool IsEmpty(); //判断栈是否为空
void Push(int data); //向栈中压入一个元素
void Pop(); //从栈中弹出一个元素
int Top(); //取栈顶元素
private:
Node* top; //栈顶指针
};
Stack::Stack() //定义构造函数
top = NULL;
bool Stack::IsEmpty() //定义判断栈是否为空的函数
{
return (top == NULL);
}
void Stack::Push(int data) //定义向栈中压入元素的函数
{
Node* p = new Node(data, NULL);
if (top == NULL)
top = p;
else
p->next = top;
top = p;
}
void Stack::Pop() //定义从栈中弹出元素的函数
{
if (top) {
Node* p = top;
top = top->next;
delete p;
}
else
cout << "The stack is empty!" << endl;
}
int Stack::Top() //定义取栈顶元素的函数
{
if (top)
return top->data;
else
cout << "The stack is empty!" << endl;
return -1;
}
2. 双向链表实现LRU缓存
LRU(Least Recently Used)是一种缓存淘汰策略,常用于缓存系统中,实现方式是:当缓存空间已满时,淘汰最久未被使用的缓存。我们可以通过双向链表实现LRU缓存功能,其中双向链表中的头节点表示最近使用的缓存,尾节点表示最久未被使用的缓存。该功能实现代码如下:
class CacheNode{ //缓存节点类的定义
public:
int key; //节点数据域
int value; //节点数据域
CacheNode* prev; //指向前一个节点
CacheNode* next; //指向后一个节点
CacheNode(int key, int value, CacheNode* prev, CacheNode* next);
};
CacheNode::CacheNode(int key, int value, CacheNode* prev, CacheNode* next) //定义构造函数
this->key = key;
this->value = value;
this->prev = prev;
this->next = next;
class LRUCache{ //LRU缓存类的定义
public:
LRUCache(int capacity); //构造函数
int Get(int key); //获取缓存中的元素
void Put(int key, int value); //向缓存中添加元素
private:
CacheNode* head; //头结点指针
CacheNode* tail; //尾节点指针
unordered_map
int size; //缓存中元素的个数
int capacity; //缓存容量
};
LRUCache::LRUCache(int capacity){ //定义构造函数
head = new CacheNode(0, 0, NULL, NULL); //创建头节点
tail = new CacheNode(0, 0, head, NULL); //创建尾节点
head->next = tail; //头节点指向尾节点
size = 0;
this->capacity = capacity;
}
int LRUCache::Get(int key){ //定义获取缓存中元素的函数
if (cache.count(key) == 0) //如果缓存中没有该元素
return -1;
CacheNode* node = cache[key];
node->prev->next = node->next; //将该元素从链表中删除
node->next->prev = node->prev;
node->prev = head; //将该元素插入到头节点后
node->next = head->next;
head->next->prev = node;
head->next = node;
return node->value;
}
void LRUCache::Put(int key, int value){ //定义向缓存中添加元素的函数
if (cache.count(key) == 0) { //如果缓存中没有该元素
CacheNode* node = new CacheNode(key, value, NULL, NULL);
cache[key] = node;
node->prev = head; //将该元素插入到头节点后
node->next = head->next;
head->next->prev = node;
head->next = node;
size++;
if (size > capacity) { //如果缓存已满,要删除最久未被使用的缓存
CacheNode* temp = tail->prev;
temp->prev->next = tail;
tail->prev = temp->prev;
cache.erase(temp->key);
delete temp;
size--;
}
}
else { //如果缓存中有该元素
CacheNode* node = cache[key];
node->value = value;
node->prev->next = node->next; //将该元素从链表中删除
node->next->prev = node->prev;
node->prev = head; //将该元素插入到头节点后
node->next = head->next;
head->next->prev = node;
head->next = node;
}
}
结论:
链表是C++编程中广泛使用的数据结构之一,常用于数据存储、排序、查找等。本文介绍了C++中链表的概念、特点及两种实现方法:单链表和双向链表,并给出了两个链表应用的例子。当编写程序时,可以根据实际需要选择不同的链表形式,达到高效、灵活、易用的编程目的。
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