练习32：双向链表
原文：Exercise 32: Double Linked Lists
译者：飞龙
这本书的目的是教给你计算机实际上如何工作，这也包括多种数据结构和算法函数。计算机自己其实并没有太大用处。为了让它们做一些有用的事情，你需要构建数据，之后在这些结构上组织处理。其它编程语言带有实现所有这些结构的库，或者带有直接的语法来创建它们。C需要你手动实现所有数据结构，这使它成为最“完美”的语言，让你知道它们的工作原理。
我的目标是交给你这些数据结构，以及相关算法的知识，来帮助你完成下面这三件事：
- 理解Python、Ruby或JavaScript的
data = {"name": "Zed"}到底做了什么。 - 使用数据结构来解决问题，使你成为更好的C程序员。
- 学习数据结构和算法的核心部分，让你知道在特定条件下哪个最好。
数据结构是什么。
“数据结构”这个名称自己就能够解释。它是具有特性模型的数据组织方法。这一模型可能设计用于以新的方法处理数据，也可能只是用于将它们更高效地储存在磁盘上。这本书中我会遵循一些简单的模式来构建可用的数据结构：
- 定义一个结构的主要“外部结构”。
- 定义一个结构的内容，通常是带有链接的节点。
- 创建函数操作它们的函数。
C中还有其它样式的数据结构，但是这个模式效果很好，并且对于你创建的大部分数据结构都适用。
构建库
对于这本书的剩余部分，当你完成这本书之后，你将会创建一个可用的库。这个库会包含下列元素：
- 为每个数据结构编写的头文件
.h。 - 为算法编写的实现文件
.c。 - 用于测试它们确保有效的单元测试。
- 从头文件自动生成的文档。
你已经实现了c-skeleton（项目框架目录），使用它来创建一个liblcthw项目：
$ cp -r c-skeleton liblcthw
$ cd liblcthw/
$ ls
LICENSE Makefile README.md bin build src tests
$ vim Makefile
$ ls src/
dbg.h libex29.c libex29.o
$ mkdir src/lcthw
$ mv src/dbg.h src/lcthw
$ vim tests/minunit.h
$ rm src/libex29.* tests/libex29*
$ make clean
rm -rf build tests/libex29_tests
rm -f tests/tests.log
find . -name "*.gc*" -exec rm {} \;
rm -rf `find . -name "*.dSYM" -print`
$ ls tests/
minunit.h runtests.sh
$
这个会话中我执行了下列事情：
- 复制了
c-skeleton。 - 编辑Makefile，将
libYOUR_LIBRARY.a改为liblcthw.a作为新的TARGET。 - 创建
src/lcthw目录，我们会在里面放入代码。 - 移动
src/dbg.h文件到新的目录中。 - 编辑
tests/minunit.h，使它使用所包含的#include。 - 移除
libex29.*中我们不需要的源文件和测试文件。 - 清理所有遗留的东西。
执行完之后你就准备好开始构建库了，我打算构建第一个数据结构是双向链表。
双向链表
我们将要向liblcthw添加的第一个数据结构是双向链表。这是你能够构建的最简单的数据结构，并且它拥有针对特定操作的实用属性。单向链表通过指向下一个或上一个元素的节点来工作。“双向”链表持有全部这两个指针，而“单向”链表只持有下一个元素的指针。
由于每个节点都有下一个和上一个元素的指针，并且你可以跟踪联保的第一个和最后的元素，你就可以快速地执行一些操作。任何涉及到插入和删除元素的操作会非常快。它对大多数人来说也易于实现。
链表的主要缺点是，遍历它涉及到处理沿途每个单个的指针。这意味着搜索、多数排序以及迭代元素会表较慢。这也意味着你不能直接跳过链表的随机一部分。如果换成数组，你就可以直接索引到它的中央，但是链表不行。也就是说如果你想要访问第十个元素，你必须经过1~9。
定义
正如在这个练习的介绍部分所说，整个过程的第一步，是编程一个头文件，带有正确的C结构定义。
#ifndef lcthw_List_h
#define lcthw_List_h
#include
struct ListNode;
typedef struct ListNode {
struct ListNode *next;
struct ListNode *prev;
void *value;
} ListNode;
typedef struct List {
int count;
ListNode *first;
ListNode *last;
} List;
List *List_create();
void List_destroy(List *list);
void List_clear(List *list);
void List_clear_destroy(List *list);
#define List_count(A) ((A)->count)
#define List_first(A) ((A)->first != NULL ? (A)->first->value : NULL)
#define List_last(A) ((A)->last != NULL ? (A)->last->value : NULL)
void List_push(List *list, void *value);
void *List_pop(List *list);
void List_unshift(List *list, void *value);
void *List_shift(List *list);
void *List_remove(List *list, ListNode *node);
#define LIST_FOREACH(L, S, M, V) ListNode *_node = NULL;\
ListNode *V = NULL;\
for(V = _node = L->S; _node != NULL; V = _node = _node->M)
#endif
我所做的第一件事就是创建两个结构，ListNode和包含这些节点的List。这创建了是将在函数中使用的数据结构，以及随后定义的宏。如果你浏览这些函数，它们看起来非常简单。当我讲到实现时，我会解释他们，但我更希望你能猜出它们的作用。
这些数据结构的工作方式，就是每个ListNode都有三个成员。
- 值，它是无类型的指针，存储我们想在链表中放置的东西。
-
ListNode *next指针，它指向另一个储存下一个元素的ListNode。 -
ListNode *prev指针，它指向另一个储存上一个元素的ListNode。
List结构只是这些ListNode结构的容器，它们互联链接组成链型。它跟踪链表的count，first和last元素。
最后，看一看src/lcthw/list.h:37，其中我定义了LIST_FOREACH宏。这是个常见的习语，你可以创建一个宏来生成迭代代码，使用者就不会弄乱了。正确使用这类执行过程来处理数据结构十分困难，所以可以编写宏来帮助使用者。当我讲到实现时，你可以看到我如何使用它。
实现
一旦你理解了它们之后，你很可能理解了双向链表如何工作。它只是带有两个指针的节点，指向链表中前一个和后一个元素。接下来你可以编写src/lcthw/list.c中的代码，来理解每个操作如何实现。
#include
#include
List *List_create()
{
return calloc(1, sizeof(List));
}
void List_destroy(List *list)
{
LIST_FOREACH(list, first, next, cur) {
if(cur->prev) {
free(cur->prev);
}
}
free(list->last);
free(list);
}
void List_clear(List *list)
{
LIST_FOREACH(list, first, next, cur) {
free(cur->value);
}
}
void List_clear_destroy(List *list)
{
List_clear(list);
List_destroy(list);
}
void List_push(List *list, void *value)
{
ListNode *node = calloc(1, sizeof(ListNode));
check_mem(node);
node->value = value;
if(list->last == NULL) {
list->first = node;
list->last = node;
} else {
list->last->next = node;
node->prev = list->last;
list->last = node;
}
list->count++;
error:
return;
}
void *List_pop(List *list)
{
ListNode *node = list->last;
return node != NULL ? List_remove(list, node) : NULL;
}
void List_unshift(List *list, void *value)
{
ListNode *node = calloc(1, sizeof(ListNode));
check_mem(node);
node->value = value;
if(list->first == NULL) {
list->first = node;
list->last = node;
} else {
node->next = list->first;
list->first->prev = node;
list->first = node;
}
list->count++;
error:
return;
}
void *List_shift(List *list)
{
ListNode *node = list->first;
return node != NULL ? List_remove(list, node) : NULL;
}
void *List_remove(List *list, ListNode *node)
{
void *result = NULL;
check(list->first && list->last, "List is empty.");
check(node, "node can't be NULL");
if(node == list->first && node == list->last) {
list->first = NULL;
list->last = NULL;
} else if(node == list->first) {
list->first = node->next;
check(list->first != NULL, "Invalid list, somehow got a first that is NULL.");
list->first->prev = NULL;
} else if (node == list->last) {
list->last = node->prev;
check(list->last != NULL, "Invalid list, somehow got a next that is NULL.");
list->last->next = NULL;
} else {
ListNode *after = node->next;
ListNode *before = node->prev;
after->prev = before;
before->next = after;
}
list->count--;
result = node->value;
free(node);
error:
return result;
}
我实现了双向链表上的所有操作，它们不能用简单的宏来完成。比起覆盖文件中的每一行，我打算为list.h和list.c中的每个操作提供一个高阶的概览。你需要自己阅读代码。
list.h:List_count
返回链表中元素数量，它在元素添加或移除时维护。
list.h:List_first
返回链表的首个元素，但是并不移除它。
list.h:List_last
返回链表的最后一个元素，但是不移除它。
list.h:LIST_FOREACH
遍历链表中的元素。
list.c:List_create
简单地创建主要的List结构。
list.c:List_destroy
销毁List以及其中含有的所有元素。
list.c:List_clear
为释放每个节点中的值（而不是节点本身）创建的辅助函数。
list.c:List_clear_destroy
清理并销毁链表。它并不十分搞笑因为它对每个元素遍历两次。
list.c:List_push
第一个操作演示了链表的有点。它向链表尾添加新的元素，由于只是一些指针赋值，所以非常快。
list.c:List_pop
List_push的反向版本，它去除最后一个元素并返回它。
list.c:List_unshift
亦可以轻易对链表执行的另一件事，就是快速地向链表头部添加元素。由于找不到合适的词，这里我把它称为unshift。
list.c:List_shift
类似List_pop，但是它移除链表的首个元素并返回。
list.c:List_remove
当你执行List_pop或List_shift时，它执行实际的移除操作。在数据结构中移除数据总是看似比较困难，这个函数也不例外。它需要处理一些条件，取决于被移除的位置，在开头、在结尾、开头并且结尾，或者在中间。
这些函数大多数都没什么特别的，你应该能够轻易描述出来，并且根据代码来理解它。你应该完全专注于List_destroy中的LIST_FOREACH如何使用来理解它如何简化通常的操作。
测试
在你编译它们之前，需要创建测试来确保它们正确执行。
#include "minunit.h"
#include
#include
static List *list = NULL;
char *test1 = "test1 data";
char *test2 = "test2 data";
char *test3 = "test3 data";
char *test_create()
{
list = List_create();
mu_assert(list != NULL, "Failed to create list.");
return NULL;
}
char *test_destroy()
{
List_clear_destroy(list);
return NULL;
}
char *test_push_pop()
{
List_push(list, test1);
mu_assert(List_last(list) == test1, "Wrong last value.");
List_push(list, test2);
mu_assert(List_last(list) == test2, "Wrong last value");
List_push(list, test3);
mu_assert(List_last(list) == test3, "Wrong last value.");
mu_assert(List_count(list) == 3, "Wrong count on push.");
char *val = List_pop(list);
mu_assert(val == test3, "Wrong value on pop.");
val = List_pop(list);
mu_assert(val == test2, "Wrong value on pop.");
val = List_pop(list);
mu_assert(val == test1, "Wrong value on pop.");
mu_assert(List_count(list) == 0, "Wrong count after pop.");
return NULL;
}
char *test_unshift()
{
List_unshift(list, test1);
mu_assert(List_first(list) == test1, "Wrong first value.");
List_unshift(list, test2);
mu_assert(List_first(list) == test2, "Wrong first value");
List_unshift(list, test3);
mu_assert(List_first(list) == test3, "Wrong last value.");
mu_assert(List_count(list) == 3, "Wrong count on unshift.");
return NULL;
}
char *test_remove()
{
// we only need to test the middle remove case since push/shift
// already tests the other cases
char *val = List_remove(list, list->first->next);
mu_assert(val == test2, "Wrong removed element.");
mu_assert(List_count(list) == 2, "Wrong count after remove.");
mu_assert(List_first(list) == test3, "Wrong first after remove.");
mu_assert(List_last(list) == test1, "Wrong last after remove.");
return NULL;
}
char *test_shift()
{
mu_assert(List_count(list) != 0, "Wrong count before shift.");
char *val = List_shift(list);
mu_assert(val == test3, "Wrong value on shift.");
val = List_shift(list);
mu_assert(val == test1, "Wrong value on shift.");
mu_assert(List_count(list) == 0, "Wrong count after shift.");
return NULL;
}
char *all_tests() {
mu_suite_start();
mu_run_test(test_create);
mu_run_test(test_push_pop);
mu_run_test(test_unshift);
mu_run_test(test_remove);
mu_run_test(test_shift);
mu_run_test(test_destroy);
return NULL;
}
RUN_TESTS(all_tests);
它简单地遍历了每个操作，并且确保它们有效。我在测试中做了简化，对于整个程序我只创建了一个List *list，这解决了为每个测试构建一个List的麻烦，但它同时意味着一些测试会受到之前测试的影响。这里我试着是每个测试不改变链表，或实际使用上一个测试的结果。
你会看到什么
如果你正确完成了每件事，当你执行构建并且运行单元测试是，你会看到：
$ make
cc -g -O2 -Wall -Wextra -Isrc -rdynamic -DNDEBUG -fPIC -c -o src/lcthw/list.o src/lcthw/list.c
ar rcs build/liblcthw.a src/lcthw/list.o
ranlib build/liblcthw.a
cc -shared -o build/liblcthw.so src/lcthw/list.o
cc -g -O2 -Wall -Wextra -Isrc -rdynamic -DNDEBUG build/liblcthw.a tests/list_tests.c -o tests/list_tests
sh ./tests/runtests.sh
Running unit tests:
----
RUNNING: ./tests/list_tests
ALL TESTS PASSED
Tests run: 6
tests/list_tests PASS
$
确保6个测试运行完毕，以及构建时没有警告或错误，并且成功构建了build/liblcthw.a和build/liblcthw.so文件。
如何改进
我打算告诉你如何改进代码，而不是使它崩溃。
- 你可以使用
LIST_FOREACH并在循环中调用free来使List_clear_destroy更高效。 - 你可以为一些先决条件添加断言，使其部结构
NULL值作为List *list的参数。 - 你可以添加不变了，来检查列表的内容始终正确，例如
count永远不会< 0，如果count > 0，first不为NULL。 - 你可以向头文件添加文档，在每个结构、函数和宏之前添加描述其作用的注释。
这些改进执行了防御性编程实践，并且“加固”了代码来避免错误或使用不当。马上去做这些事情，之后找到尽可能多的办法来改进代码。
附加题
- 研究双向和单向链表，以及什么情况下其中一种优于另一种。
- 研究双向链表的限制。例如，虽然它们对于插入和删除元素很高效，但是对于变量元素比较慢。
- 还缺少什么你能想到的操作？比如复制、连接、分割等等。实现这些操作，并且为它们编写单元测试。