飞大圣

数据结构和算法（3）：列表

列表是一种线性数据结构，它允许在其中存储多个元素，并且可以动态地添加或删除元素。

循秩访问

可通过重载下标操作符，实现寻秩访问

template <typename T> // assert: 0 <= r < size
T List<T>::operator[](Rank r) const { //O(r)，效率低下，可偶尔为之，却不宜常用
	Posi(T) p = first(); //从首节点出发
	while (0 < r--) p = p->succ; //顺数第r个节点即是
	return p->data;//目标节点
}//任一节点的秩，亦即其前驱的总数

效率比较低，总和为 $\mathcal O(n^2)$ ，平摊到每个元素上为 $\mathcal O(n)$

接口与实现

根据是否修改数据结构，所有操作大致分为两类方式：
1)静态︰仅读取，数据结构的内容及组成一般不变：get、search；
2)动态：需写入，数据结构的局部或整体将改变：insert、remove。

与操作方式相对应地，数据元素的存储与组织方式也分为两种：
1)静态∶数据空间整体创建或销毁；
数据元素的物理存储次序与其逻辑次序严格一致；
可支持高效的静态操作；
比如向量，元素的物理地址与其逻辑次序线性对应；
2)动态︰为各数据元素动态地分配和回收的物理空间；
逻辑上相邻的元素记录彼此的物理地址，在逻辑上形成一个整体；
可支持高效的动态操作。

列表（List） 是采用动态存储策略的典型结构。其中的元素称作节点（node），各节点通过指针或引用彼此联接，在逻辑上构成一个线性序列。
相邻节点彼此互称前驱或后继。前驱或后继若存在，则必然唯一。没有前驱/后继的唯一节点称作首/末节点。

//listnode.h
template <typename T> struct ListNode;
template <typename T> using ListNodePosi = ListNode<T>*; //列表节点位置
template <typename T> struct ListNode { //列表节点模板类（以双向链表形式实现）
// 成员
   T data; ListNodePosi<T> pred, succ; //数值、前驱、后继
// 构造函数
   ListNode() {} //针对header和trailer的构造
   ListNode ( T e, ListNodePosi<T> p = NULL, ListNodePosi<T> s = NULL )
      : data( e ), pred( p ), succ( s ) {} //默认构造器
// 操作接口
   ListNodePosi<T> insertAsPred( T const& e ); //紧靠当前节点之前插入新节点
   ListNodePosi<T> insertAsSucc( T const& e ); //紧随当前节点之后插入新节点
};

列表节点：ADT接口

作为列表的基本元素，列表节点首先需要独立地“封装”实现
为此，可设置并约定若干基本的操作接口

#include "listNode.h" //引入列表节点类

template <typename T> class List { //列表模板类

private:
   Rank _size; ListNodePosi<T> header, trailer; //规模、头哨兵、尾哨兵
protected:
   void init(); //列表创建时的初始化
   Rank clear(); //清除所有节点
   void copyNodes( ListNodePosi<T>, Rank ); //复制列表中自位置p起的n项
   ListNodePosi<T> merge( ListNodePosi<T>, Rank, List<T>&, ListNodePosi<T>, Rank ); //归并
   void mergeSort( ListNodePosi<T>&, Rank ); //对从p开始连续的n个节点归并排序
   void selectionSort( ListNodePosi<T>, Rank ); //对从p开始连续的n个节点选择排序
   void insertionSort( ListNodePosi<T>, Rank ); //对从p开始连续的n个节点插入排序
   void radixSort( ListNodePosi<T>, Rank ); //对从p开始连续的n个节点基数排序

public:
// 构造函数
   List() { init(); } //默认
   List( List<T> const& L ); //整体复制列表L
   List( List<T> const& L, Rank r, Rank n ); //复制列表L中自第r项起的n项
   List( ListNodePosi<T> p, Rank n ); //复制列表中自位置p起的n项
   // 析构函数
   ~List(); //释放（包含头、尾哨兵在内的）所有节点
// 只读访问接口
   Rank size() const { return _size; } //规模
   bool empty() const { return _size <= 0; } //判空
   ListNodePosi<T> operator[]( Rank r ) const; //重载，支持循秩访问（效率低）
   ListNodePosi<T> first() const { return header->succ; } //首节点位置
   ListNodePosi<T> last() const { return trailer->pred; } //末节点位置
   bool valid( ListNodePosi<T> p ) //判断位置p是否对外合法
   { return p && ( trailer != p ) && ( header != p ); } //将头、尾节点等同于NULL
   ListNodePosi<T> find( T const& e ) const //无序列表查找
   { return find( e, _size, trailer ); }
   ListNodePosi<T> find( T const& e, Rank n, ListNodePosi<T> p ) const; //无序区间查找
   ListNodePosi<T> search( T const& e ) const //有序列表查找
   { return search( e, _size, trailer ); }
   ListNodePosi<T> search( T const& e, Rank n, ListNodePosi<T> p ) const; //有序区间查找
   ListNodePosi<T> selectMax( ListNodePosi<T> p, Rank n ); //在p及其n-1个后继中选出最大者
   ListNodePosi<T> selectMax() { return selectMax( header->succ, _size ); } //整体最大者
// 可写访问接口
   ListNodePosi<T> insertAsFirst( T const& e ); //将e当作首节点插入
   ListNodePosi<T> insertAsLast( T const& e ); //将e当作末节点插入
   ListNodePosi<T> insert( ListNodePosi<T> p, T const& e ); //将e当作p的后继插入
   ListNodePosi<T> insert( T const& e, ListNodePosi<T> p ); //将e当作p的前驱插入
   T remove( ListNodePosi<T> p ); //删除合法位置p处的节点,返回被删除节点
   void merge( List<T>& L ) { merge( header->succ, _size, L, L.header->succ, L._size ); } //全列表归并
   void sort( ListNodePosi<T>, Rank ); //列表区间排序
   void sort() { sort( first(), _size ); } //列表整体排序
   Rank dedup(); //无序去重
   Rank uniquify(); //有序去重
   void reverse(); //前后倒置（习题）
// 遍历
   void traverse( void ( * )( T& ) ); //依次实施visit操作（函数指针）
   template <typename VST> void traverse( VST& ); //依次实施visit操作（函数对象）
}; //List

创建列表

template <typename T> void List<T>::init() { //列表初始化，在创建列表对象时统一调用
   header = new ListNode<T>; trailer = new ListNode<T>; //创建头、尾哨兵节点
   header->succ = trailer; header->pred = NULL; //向前链接
   trailer->pred = header; trailer->succ = NULL; //向后链接
   _size = 0; //记录规模
}

无序列表

插入与构造

//插入
template <typename T> //将e紧靠当前节点之前插入于当前节点所属列表（设有哨兵头节点header）
ListNodePosi<T> ListNode<T>::insertAsPred( T const& e ) {
   ListNodePosi<T> x = new ListNode( e, pred, this ); //创建新节点
   pred->succ = x; pred = x; //设置正向链接
   return x; //返回新节点的位置
}

//基于复制的构造
template <typename T> //列表内部方法：复制列表中自位置p起的n项
void List<T>::copyNodes( ListNodePosi<T> p, Rank n ) { // p合法，且至少有n-1个真后继
   init(); //创建头、尾哨兵节点并做初始化
   while ( n-- ) { insertAsLast( p->data ); p = p->succ; } //将起自p的n项依次作为末节点插入
}

//insertAsLast 就相当于 insertBefore(trailer)

在列表中插入一个新节点 node 作为 p 的直接前驱，顺序为：
①node->succ = p
②node->pred = p->pred
③p->pred->succ = node
④p->pred = node

p->pred->succ = node 和 node->pred = p->pred 的正确执行需要能够定位p原先的直接前驱p->pred，而 p->pred = node 会破坏 p 到其的链接，故 p->pred->succ = node 和 node->pred = p->pred 必须在 p->pred = node 之前执行

删除和析构

//删除
template <typename T> T List<T>::remove( ListNodePosi<T> p ) { //删除合法节点p
   T e = p->data; //备份待删除节点的数值（假定T类型可直接赋值）
   p->pred->succ = p->succ; p->succ->pred = p->pred; //短路联接
   delete p; _size--; //释放节点，更新规模
   return e; //返回备份的数值
} //O(1)

//析构
template <typename T> List<T>::~List() //列表析构器
{ clear(); delete header; delete trailer; } //清空列表，释放头、尾哨兵节点

template <typename T> Rank List<T>::clear() { //清空列表
   Rank oldSize = _size;
   while ( 0 < _size ) remove ( header->succ ); //反复删除首节点，直至列表变空
   return oldSize;
}//O(n)，线性正比于列表规模

查找

template <typename T> //在无序列表内节点p（可能是trailer）的n个（真）前驱中，找到等于e的最后者
ListNodePosi<T> List<T>::find( T const& e, Rank n, ListNodePosi<T> p ) const {
   while ( 0 < n-- ) //（0 <= n <= Rank(p) < _size）对于p的最近的n个前驱，从右向左
      if ( e == ( p = p->pred )->data ) return p; //逐个比对，直至命中或范围越界
   return NULL; //p越出左边界意味着区间内不含e，查找失败
} //失败时，返回NULL

当存在多个目标时，会停止最靠后的元素节点。

去重

template <typename T> int List<T>::deduplicate() {	//剔除无序列表中的重复节点
	if (_size < 2) return	//平凡列表自然无重复
	int oldsize = _size;	//记录原规模
	Posi(T) p = first(); Rank r = 1;	//p从首节点起
	while (trailer != (p = p->succ ))	//依次直到末节点
		Posi(T) q = find(p->data，r, p);	//在p的r个(真)前驱中，查找与之雷同者
		q ? remove(q):r++;	//若的确存在，则删除之;否则秩递增——可否remove(p)?不可！因为后面要指向其后继
	}	//assert:循环过程中的任意时刻，p的所有前驱互不相同
return oldSize - _size;	//列表规模变化量，即被删除元素总数
}//正确性及效率分析的方法与结论，与Vector::deduplicate()相同

有序列表

唯一化（去重）

template <typename T> Rank List<T>::uniquify() { //成批剔除重复元素，效率更高
   if ( _size < 2 ) return 0; //平凡列表自然无重复
   Rank oldSize = _size; //记录原规模
   ListNodePosi<T> p = first(); ListNodePosi<T> q; //p为各区段起点，q为其后继
   while ( trailer != ( q = p->succ ) ) //反复考查紧邻的节点对(p, q)
      if ( p->data != q->data ) p = q; //若互异，则转向下一区段
      else remove( q ); //否则（雷同）直接删除后者，不必如向量那样间接地完成删除
   return oldSize - _size; //列表规模变化量，即被删除元素总数
}//只需遍历整个列表一趟，O(n)

查找

template <typename T>//在有序列表内节点p的n个(真）前驱中，找到不大于e的最后者
Posi(T) List<T>::search(T const & e, int n, Posi(T) p) const {
	while ( e <= n-- )//对于p的最近的n个前驱，从右向左
		if((( p = p->pred ) -> data <= e ) break;//逐个比较
	return p;//直至命中、数值越界或范围界后，返回查找终止的位置
}//最好o(1)，最坏o(n);等概率时平均o(n)，正比于区间宽度

列表的循位置访问和向量的循秩访问有着根本区别，前者靠的是位置，后置靠的是秩。

选择排序

基本思路是在未排序的部分中找到最小（或最大）的元素，然后将其与未排序部分的第一个元素交换位置，以此类推，直到整个序列排序完成。

基本思路和步骤：

初始状态：将整个序列分为两部分，已排序部分和未排序部分。一开始，已排序部分为空，未排序部分包含整个序列。
找到最小元素：在未排序部分中找到最小的元素，并记录其位置（索引）。
交换位置：将找到的最小元素与未排序部分的第一个元素交换位置。
更新已排序部分：将已排序部分的末尾扩展，包括刚刚交换的元素。
重复步骤2至4：重复执行步骤2至4，直到未排序部分为空。
排序完成：当未排序部分为空时，整个序列就被排序完成。

template <typename T> //对列表中起始于位置p、宽度为n的区间做选择排序
void List<T>::selectionSort( ListNodePosi<T> p, Rank n ) { // valid(p) && Rank(p) + n <= size
   ListNodePosi<T> head = p->pred, tail = p;
   for ( Rank i = 0; i < n; i++ ) tail = tail->succ; //待排序区间为(head, tail)
   while ( 1 < n ) { //在至少还剩两个节点之前，在待排序区间内
      ListNodePosi<T> max = selectMax ( head->succ, n ); //找出最大者（歧义时后者优先）
      insert( remove( max ), tail ); //将其移至无序区间末尾（作为有序区间新的首元素）
      tail = tail->pred; n--;
   }
}


template <typename T> //从起始于位置p的n个元素中选出最大者
ListNodePosi<T> List<T>::selectMax( ListNodePosi<T> p, Rank n ) {
   ListNodePosi<T> max = p; //最大者暂定为首节点p
   for ( ListNodePosi<T> cur = p; 1 < n; n-- ) //从首节点p出发，将后续节点逐一与max比较
      if ( !lt( ( cur = cur->succ )->data, max->data ) ) //若当前元素不小于max，则
         max = cur; //更新最大元素位置记录
   return max; //返回最大节点位置
}

总共迭代 n 次，在第 k 次迭代中， selectmax() 为 $\mathcal O(n-k)$ ，remove() 和 insertBefore() 均为 $\mathcal O(1)$ ，故总体复杂度应为 $\mathcal O(n^2)$ 。
尽管如此，元素移动操作远远少于冒泡排序，也就是说 $\mathcal O(n^2)$ 主要来自比较操作.

尽管它不如一些高级排序算法（如快速排序或归并排序）快，但它简单直观，对于小型数据集来说是一个有效的排序方法。然而，对于大型数据集，选择排序的性能可能不够理想。

插入排序

基本思路是将一个序列分成已排序部分和未排序部分。初始时，已排序部分只包含第一个元素，然后逐步将未排序部分的元素插入到已排序部分，保持已排序部分的有序性。这个过程类似于我们在打牌时对手中的牌进行排序，每次将一张新牌插入到已经有序的牌中。