链表结点的数据结构该如何定义

电子工程师 2017-09-20 15048

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近日周立功教授公开了数年的心血之作《程序设计与数据结构》，电子版已无偿性分享到电子工程师与高校群体下载，经周立功教授授权，特对本书内容进行连载。

>>>1.1.1 数据与p_next分离

由于链表只关心p_next指针，因此完全没有必要在链表结点中定义数据域，那么只保留p_next指针就好了。链表结点的数据结构（slist.h）定义如下：

1 typedef struct _slist_node{

2 struct _slist_node *p_next; // 指向下一个结点的指针

3 }slist_node_t;

由于结点中没有任何数据，因此节省了内存空间，其示意图详见图3.10。

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图3.10 链表示意图

当用户需要使用链表管理数据时，仅需关联数据和链表结点，最简单的方式是将数据和链表结点打包在一起。以int类型数据为例，首先将链表结点作为它的一个成员，再添加与用户相关的int类型数据，该结构体定义如下：

1 typedef struct _slist_int{

2 slist_node_t node; // 包含链表结点

3 int data; // int类型数据

4 }slist_int_t;

由此可见，无论是什么数据，链表结点只是用户数据记录的一个成员。当调用链表接口时，仅需将node的地址作为链表接口参数即可。在定义链表结点的数据结构时，由于仅删除了data成员，因此还是可以直接使用原来的slist_add_tail()函数，管理int型数据的范例程序详见程序清单3.14。

程序清单3.14 管理int型数据的范例程序

1 #include

2 typedef struct _slist_int{

3 slist_node_t node;

4 int data;

5 }slist_int_t;

7 int main (void)

8 {

9 slist_node_t head = {NULL};

10 slist_int_t node1, node2, node3;

11 slist_node_t *p_tmp;

13 node1.data = 1;

14 slist_add_tail(&head, &node1.node);

15 node2.data = 2;

16 slist_add_tail(&head, &node2.node);

17 node3.data = 3;

18 slist_add_tail(&head, &node3.node);

19 p_tmp = head.p_next;

20 while (p_tmp != NULL){

21 printf("%d ", ((slist_int_t *)p_tmp)->data);

22 p_tmp = p_tmp->p_next;

23 }

24 return 0;

25 }

由于用户需要初始化head为NULL，且遍历时需要操作各个结点的p_next指针。而将数据和p_next分离的目的就是使各自的功能职责分离，链表只需要关心p_next的处理，用户只关心数据的处理。因此，对于用户来说，链表结点的定义就是一个“黑盒子”，只能通过链表提供的接口访问链表，不应该访问链表结点的具体成员。

为了完成头结点的初始赋值，应该提供一个初始化函数，其本质上就是将头结点中的p_next成员设置为NULL。链表初始化函数原型为：

int slist_init (slist_node_t *p_head);

由于头结点的类型与其它普通结点的类型一样，因此很容易让用户误以为，这是初始化所有结点的函数。实际上，头结点与普通结点的含义是不一样的，由于只要获取头结点就可以遍历整个链表，因此头结点往往是被链表的拥有者持有，而普通结点仅仅代表单一的一个结点。为了避免用户将头结点和其它结点混淆，需要再定义一个头结点类型（slist.h）：

typedef slist_node_t slist_head_t;

基于此，将链表初始化函数原型（slist.h）修改为：

int slist_init (slist_head_t *p_head);

其中，p_head指向待初始化的链表头结点，slist_init()函数的实现详见程序清单3.15。

程序清单3.15 链表初始化函数

1 int slist_init (slist_head_t *p_head)

2 {

3 if (p_head == NULL){

4 return -1;

5 }

6 p_head -> p_next = NULL;

7 return 0;

8 }

在向链表添加结点前，需要初始化头结点。即：

slist_node_t head;

slist_init(&head);

由于重新定义了头结点的类型，因此添加结点的函数原型也应该进行相应的修改。即：

int slist_add_tail (slist_head_t *p_head, slist_node_t *p_node);

其中，p_head指向链表头结点，p_node为新增的结点，slist_add_tail()函数的实现详见程序清单3.16。

程序清单3.16 新增结点范例程序

1 int slist_add_tail (slist_head_t *p_head, slist_node_t *p_node)

2 {

3 slist_node_t *p_tmp;

5 if ((p_head == NULL) || (p_node == NULL)){

6 return -1;

7 }

8 p_tmp = p_head;

9 while (p_tmp -> p_next != NULL){

10 p_tmp = p_tmp -> p_next;

11 }

12 p_tmp -> p_next = p_node;

13 p_node -> p_next = NULL;

14 return 0;

15 }

同理，当前链表的遍历采用的还是直接访问结点成员的方式，其核心代码如下：

1 slist_node_t *p_tmp = head.p_next;

2 while (p_tmp != NULL){

3 printf("%d ", ((slist_int_t *)p_tmp)->data);

4 p_tmp = p_tmp->p_next;

5 }

这里主要对链表作了三个操作：（1）得到第一个用户结点；（2）得到当前结点的下一个结点；（3）判断链表是否结束，与结束标记（NULL）比较。

基于此，将分别提供三个对应的接口来实现这些功能，避免用户直接访问结点成员。它们的函数原型为（slist.h）：

slist_node_t *slist_begin_get (slist_head_t *p_head); // 获取开始位置，第一个用户结点

slist_node_t *slist_next_get (slist_head_t *p_head, slist_node_t *p_pos);// 获取某一结点的后一结点

slist_node_t *slist_end_get (slist_head_t *p_head); // 结束位置，尾结点下一个结点的位置

其实现代码详见程序清单3.17。

程序清单3.17 遍历相关函数实现

1 slist_node_t *slist_next_get (slist_head_t *p_head, slist_node_t *p_pos)

2 {

3 if (p_pos) { // 找到p_pos指向的结点

4 return p_pos->p_next;

5 }

6 return NULL;

7 }

9 slist_node_t *slist_begin_get (slist_head_t *p_head)

10 {

11 return slist_next_get(p_head, p_head);

12 }

14 slist_node_t *slist_end_get (slist_head_t *p_head)

15 {

16 return NULL;

17 }

程序中获取的第一个用户结点，其实质上就是头结点的下一个结点，因此可以直接调用slist_next_get()实现。尽管slist_next_get()在实现时并没有用到参数p_head，但还是将p_head参数传进来了，因为实现其它的功能时将会用到p_head参数，比如，判断p_pos是否在链表中。当有了这些接口函数后，即可完成遍历，详见程序清单3.18。

程序清单3.18 使用各个接口函数实现遍历的范例程序

1 slist_node_t *p_tmp = slist_begin_get(&head);

2 slist_node_t *p_end = slist_end_get(&head);

3 while (p_tmp != p_end){

4 printf("%d ", ((slist_int_t *)p_tmp)->data);

5 p_tmp = slist_next_get(&head, p_tmp);

6 }

由此可见，slist_begin_get()和slist_end_get()的返回值决定了当前有效结点的范围，其范围为一个半开半闭的空间，即：[begin,end)，包括begin，但是不包括end。当begin与end相等时，表明当前链表为空，没有一个有效结点。

在程序清单3.18所示的遍历程序中，只有printf()语句才是用户实际关心的语句，其它语句都是固定的模式，为此可以封装一个通用的遍历函数，便于用户顺序处理与各个链表结点相关联的数据。显然，只有使用链表的用户才知道数据的具体含义，对数据的实际处理应该交由用户完成，比如，程序清单3.18中的打印语句，因此访问数据的行为应该由用户定义，定义一个回调函数，通过参数传递给遍历函数，每遍历到一个结点时，都调用该回调函数处理对数据进行处理。遍历链表的函数原型（slist.h）为：

typedef int (*slist_node_process_t) (void *p_arg, slist_node_t *p_node);

int slist_foreach(slist_head_t *p_head,

slist_node_process_t pfn_node_process,

void *p_arg);

其中，p_head指向链表头结点，pfn_node_process为结点处理回调函数。每遍历到一个结点时，都会调用pfn_node_process指向的函数，便于用户根据需要自行处理结点数据。当调用该回调函数时，会自动将用户参数p_arg作为回调函数的第1个参数，将指向当前遍历到的结点的指针作为回调函数的第2个参数。

当遍历到某个结点时，用户可能希望终止遍历，此时只要在回调函数中返回负值即可。一般地，若要继续遍历，函数执行结束后返回0。slist_foreach()函数的实现详见程序清单3.19。

程序清单3.19 遍历链表范例程序

1 int slist_foreach( slist_head_t *p_head,

2 slist_node_process_t pfn_node_process,

3 void *p_arg);

5 {

6 slist_node_t *p_tmp, *p_end;

7 int ret;

9 if ((p_head == NULL) || (pfn_node_process == NULL)){

10 return -1;

11 }

12 p_tmp = slist_begin_get(p_head);

13 p_end = slist_end_get(p_head);

14 while (p_tmp != p_end){

15 ret = pfn_node_process(p_arg, p_tmp);

16 if (ret < 0) return ret; // 不再继续遍历

17 p_tmp = slist_next_get(p_head, p_tmp); // 继续下一个结点

18 }

19 return 0;

20 }

现在可以使用这些接口函数，迭代如程序清单3.14所示的功能，详见程序清单3.20。

程序清单3.20 管理int型数据的范例程序

1 #include

2 #include "slist.h"

4 typedef struct _slist_int {

5 slist_node_t node; // 包含链表结点

6 int data; // int类型数据

7 }slist_int_t;

9 int list_node_process (void *p_arg, slist_node_t *p_node)

10 {

11 printf("%d ", ((slist_int_t *)p_node)->data);

12 return 0;

13 }

15 int main(void)

16 {

17 slist_head_t head; // 定义链表头结点

18 slist_int_t nodel, node2, node3;

19 slist_init(&head);

21 node1.data = 1;

22 slist_add_tail(&head, &(node1.node));

23 node2.data = 2;

24 slist_add_tail(&head, &(node2.node));

25 node3.data = 3;

26 slist_add_tail(&head, &(node3.node));

27 slist_foreach(&head, list_node_process, NULL); // 遍历链表，用户参数为NULL

28 return 0;

29 }

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