簡單的Linked List實現

 

Abstraction

Introduction
學習資料結構，第一個要學的就是linked list，本文示範最簡單的linked list實現，包含建立與顯示，可把它當成linked list的標準範本，畢竟步驟都差不多。

一個基本的問題：為什麼需要linked list?若要將大量資料存到記憶體，你會想到什麼?第一個想到的就是array，但C語言是個靜態語言，array必須事先宣告大小，這樣compiler才能進行最佳化，若到時候沒用這麼多記憶體，就白白浪費記憶體了。或許你會說array可以配合malloc()變成動態array，但前提是你必須告訴malloc()要建立多大的array，若連要建立多大的陣列也不確定，而是在run-time看有多少資料就建立多大，這時連malloc()的動態array也不能用了，此時就得靠linked list。

linked list是資料結構的基礎，基本上就是靠struct如火車車廂那樣連在一起，run-time有需要時，在動態掛一個struct上去。

C語言

1  /*  
2  (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com
3 
4  Filename    : DS_linked_list_simple.c
5  Compiler    : Visual C++ 8.0
6  Description : Demo how to use malloc for linked list
7  Release     : 03/22/2008 1.0
8    */
9  #include < stdio.h >
10  #include < stdlib.h >
11  #include < string .h >
12 
13  #define SLEN 255
14 
15  struct list {
16    int   no;
17    char name[SLEN];
18    struct list * next;
19  };
20 
21  int main() {
22    int no;
23    char s[ 255 ];
24   
25    struct list * head    = NULL;
26    struct list * current = NULL;
27    struct list * prev    = NULL;
28   
29    while ( 1 ) {
30      printf( " No. = " );
31      scanf( " %d " , & no);
32     
33      if (no ==   0 )
34        break ;
35   
36      printf( " Name = " );
37      scanf( " %s " , s);
38     
39      current = ( struct list * )malloc( sizeof ( struct list));
40      if (current == NULL)
41        exit(EXIT_FAILURE);
42       
43      current -> next = NULL;
44     
45      current -> no = no;
46      strncpy(current -> name, s, SLEN - 1 );
47      current -> name[SLEN - 1 ] =   ' \0 ' ;
48     
49      if (head == NULL)
50        head = current;
51      else
52        prev -> next = current;
53       
54      prev = current;
55    }
56   
57    // display linked list
58    current = head;
59    while (current != NULL) {
60      printf( " No. = %d, Name = %s\n " , current -> no, current -> name);
61      current = current -> next;
62    }
63   
64    // free linked list
65    current = head;
66    while (current != NULL) {
67      prev = current;
68      current = current -> next;
69      free(prev);
70    }
71  }

執行結果

No. =   1
Name = clare
No. =   2
Name = jessie
No. =   0
No. =   1 , Name = clare
No. =   2 , Name = jessie

15行

struct list {
  int   no;
  char name[SLEN];
  struct list * next;
};

linked list的基礎就是struct，所以先建立一個自訂的struct型別，因為linked list是靠struct串聯起來，所以最後要多一個struct pointer指向下一個struct。

25行

struct list * head    = NULL;
struct list * current = NULL;
struct list * prev    = NULL;

建立linked list最基本需要三個指標，head指向linked list的第一個struct，current指向目前剛建立的struct，prev則指向前一個struct，目的在指向下一個struct，對於未使用的pointer，一律指定為NULL，這是一個好的coding style，可以藉由判斷是否為NULL判斷此pointer是否被使用。

39行

current = ( struct list * )malloc( sizeof ( struct list));
if (current == NULL)
  exit(EXIT_FAILURE);
     
current -> next = NULL;

每當有新資料，需要建立一個新的struct時，就用malloc()要一塊記憶體，由於malloc()傳回的是void *，所以要手動轉型成struct list *。但malloc()並不是一定會成功，若記憶體不足時，仍然會失敗，所以必須判斷是否傳回NULL。

由於一個新的node，一定是linked list最後一個node，所以將current->next接null。

45行

current -> no = no;
strncpy(current -> name, s, SLEN - 1 );
current -> name[SLEN - 1 ] =   ' \0 ' ;

正式將輸入的資料填進struct，至於為什麼要用strncpy()而不用strcpy()呢?雖然strcpy()也可以，但strncpy()比較安全，若輸入的字串大小超過struct所定義的字串大小，則會只接受struct所接受的字串大小，而不會因為找不到'\0'而造成程式錯誤。

49行

if (head == NULL)
  head = current;
else
  prev -> next = current;
     
prev = current;

判斷若是第一個node，則將目前的node當成head，若不是第一個node，則將前一個node指向目前的node，完成linked list的連接。最後將目前的node當成前一個node，以備指向下一個node。

58行

// display linked list
current = head;
while (current != NULL) {
  printf( " No. = %d, Name = %s\n " , current -> no, current -> name);
  current = current -> next;
}

要重新顯示linked list，所以將指標再度指向第一個node，每當顯示一個node後，就指向下一個node，直到指到NULL為止。

64行

// free linked list
current = head;
while (current != NULL) {
  prev = current;
  current = current -> next;
  free(prev);
}

由於malloc()是將記憶體放在heap，而不是放在stack，所以並不會隨著function的結束而釋放，必須要手動使用free()釋放記憶體，否則會造成memory leak。

再來看C++，由於STL已內建一些容器，所以不需再重新實作linked list，有兩個選擇：std::vector或者std::list。std::vector的優點是non-sequential access超快，新增資料於後端超快，但insert和erase任意資料則超慢；std::list則剛好相反，insert和erase速度超快，但non-sequential access超慢，由於本例只有新增與non-sequential access，所以適合std::vector。不過由於STL使用泛型技術，若將來需求改變，想改用std::list也沒關係，只要將容器改掉即可，剩下的都不用改，因為STL的演算法並不挑容器，這正是泛型偉大之處。

C++

1  /*  
2  (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com
3 
4  Filename    : DS_linked_list_simple_vector_class.cpp
5  Compiler    : Visual C++ 8.0
6  Description : Demo how to use vector instead of linked list
7  Release     : 03/22/2008 1.0
8  */
9  #include < iostream >
10  #include < string >
11  #include < vector >
12 
13  using   namespace std;
14 
15  class List {
16  public :
17    int no;
18    string name;
19  };
20 
21  int main() {
22    vector < List > vec;
23   
24    while ( 1 ) {
25      List list;
26      cout <<   " No. = " ;
27      cin >> list.no;
28     
29      if (list.no ==   0 )
30        break ;
31   
32      cout <<   " Name = " ;
33      cin >> list.name;
34     
35      vec.push_back(list);
36    }
37   
38    vector < List > ::iterator iter = vec.begin();
39    for (; iter != vec.end(); ++ iter)
40      cout <<   " No. = "   << iter -> no <<   " , Name = "   << iter -> name << endl;
41  }

 

執行結果

No. =   1
Name = clare
No. =   2
Name = jessie
No. =   0
No. =   1 , Name = clare
No. =   2 , Name = jessie

15行由struct改用了class，不過若繼續使用struct亦可，至於其他的程式都很直觀，就不再多做解釋。

Conclusion
本文主要是討論使用C語言透過malloc()實現資料結構的linked list，以彌補靜態語言的不足，同時亦討論C++使用STL的替代方案與便利性，C與C++各擅勝場，你可自行決定使用C或C++。

使用C語言簡單的實現linked list，並用C++的std::vector實作出相同的功能作比較。