穷究链表（一）

      今天上午申请了一个博客，晚上回来就开通了，博客园的效率真是让人赞赏。已经有计划希望将链表这个玩意完全的深挖一下，并以此为基础，来讨论一些C/C++语言特性使用，并讨论一些其他程序开发中的问题，刚好这两天大家放假都在开心呢，我就偷偷上几篇也省得被扔很多砖头。毕竟第一次写这样的文章，肯定里面有些没有考虑缜密的地方，同时本身也就是希望通过大家探讨来指导我的。希望能够通过不断的讨论，达到学习、进步的目的。

      作为程序员，链表这种数据结构应该是耳熟能详的了。没吃过猪肉还见过猪跑呢，大风大浪的哈希，图啊啥的都常用，何况这种基础的数据结构呢。不管是在学校里面学习数据结构的时候，在应聘考试笔试面试的时候，在公司工作应用各种库的时候，我相信大家应该或多或少都接触过链表。但是，真正的用某种特定的语言来实现链表的某些特定操作的时候，并不一定能够实现正确。这里，主要是讨论利用C和C++来实现一个链表的时候，遇到的各种问题。最终得到一个比较好的可以用于平时面试笔试等的程序。同时，也更好的理解好链表，达到“穷究”的目的。

      这里可能大家有疑问，为什么不是说可以应用的工程性的程序，而只是可以用于笔试和面试呢？对于C来说，比较好的用于工程性的程序应该是在linux的内核源码中；对于C++来说，其原生的STL中就有list可以来使用，并不需要我们来重新造轮子。而真正链表用于工程中，主要的就是一些异常的处理需要被考虑到，同时，一般就是使用双向链表来实现所有的链表操作。但是我们现在讨论链表，主要在于对链表本身的一些操作的理解和实现，如果将很多精力放在工程性的方面，那势必就会削弱本身强调的内容。同时，作为工程应用，如C中就通常又分为list.c和list.h来做，而C++中更是将其细分为很多模块（参考STL），有专门负责内存分配的allocator，有list，有iterator，还有各种模板函数，会搞得越来越复杂化。因此，我们的目的就是达到面试和笔试可以通过的程度，而这些都可以通过的话，恩，除非你就是去做库的，否则日常的工作是不会难倒你的。
      
      这里通过用C和C++分别来实现链表程序的过程，以及在实现过程中的思考来进行叙述。这里我使用的IDE环境为Visual studio 2005，如果你希望和我一起做的话，我推荐最好是这个版本或者以上的版本如2008。当然，2003或许也可以，但是我没有试验过，所以最好你能够自己来试验。文章中所有的完整代码均可以编译运行，也有一些标注为代码片段的函数，单个是不能编译的（当然，这个大家都清楚，但是，原谅我再啰嗦一下 :-P），代码片段是用来进行一些解释性工作的。当然，这些代码中有可能会有一些bug，希望大家能够帮助我找出它们，这样最终我们就会得到一个强壮的、完整的链表程序。
    
      Visual Studio是我使用过的最好用的IDE环境了，除了它的速度和为了安全性常报的一些warning，以及偶尔会出现的ICE之外，还是挺满意的。其实很多人，包括我，都是挺喜欢VC6的，但是其对模板的支持实在是让人欲哭无泪，加上VS实在是很好用，所以还是选择VS2005作为开发环境。
    
      这里首先会使用C语言来进行实现，然后对于C++，会先使用非模板的写法来写一个实现，然后用模板的写法来实现，最后是真正现实应用中得到的源码的赏析，C语言本身库中并不支持链表等数据类型，所以选取的是linux内核源码中的list.h，同时也下载了<Data Structures and Algorithm Analysis in C>第二版的源码程序来进行参考；C++语言中，选择的是标准库（STL）中的list，但是标准库在不同厂商的实现也有不同，包括SGI STL，VC中的实现以及BCB中的实现，我选择的是JJHOU老师的注释版本，同时也在SGI STL网站上下载了最新的3.3版本的源码。当然，BOOST库中也有list，尽管也下载了，但是还没有时间去一一分析，所以暂时不涉及到BOOST。
    
      尽管我现在就想去实现链表，但是还是发现很多东西还没写完，其实这也是软件工程的一个体现的方面，我们在实现之前做的工作越多，我们最后实现需要的时间就越少，而编码工作在整个工程中的比重就会越小。
   
      那我们之前会做哪些工作呢？
   
      首先要了解的是我们这里实现的，和现实中的链表程序是不同的。我们要实现的是一个单向链表。链表根据存储的指针的不同，可以分为单向链表、双向链表，根据指针指向的不同，还可以分为循环链表和双向循环链表。在现实世界中，纯粹的链表程序，最复杂的也就是双向循环链表了，也就是linux内核中的实现，当然，再将其加上一些指针，将其加入哈希表、红黑树等结构，就是另外的事情了。同时，要理解的一件事情就是，存储的内容越多，并不一定会增加复杂性，有时反而会降低复杂性。比如最简单的，单向链表要得到一个节点的前向节点就很麻烦，但是双向链表要得到该节点的前向节点，简直太easy了。又或者JAVA的元数据，又或者string类的size，这些都是为了降低复杂性而增加的内容。
    
      对于双向链表，循环链表，有其自己的操作特性，并不一定就是，实现了单向链表，其他显而易见，而且这些年读书过来的经验，一般书上说显而易见，就一点都不显而易见，但是对于这两种链表类型，并不一定有实现来实现，主要精力还是用来实现单向链表。
    
      对于单向链表，其还有两种实现方式，是对于链表的第一个节点的处理不同而造成的。一种是第一个节点和其他节点一样，是带有具体数据的；第二种是第一个节点是不带有数据的，空链表是带有一个这样节点的链表。我们一般称第一种为不带头节点的单向链表，而第二种被称为带头节点的单向链表。
    
      在实际工程实现中，一般我们采取第二种实现方式，因为这样对于添加、删除等操作，我们就可以不用去考虑一些特殊情况，在实现代码的时候比较方便，而我们所需要付出的代价仅仅是一个链表节点空间的“浪费”。所以在工程中，一般会比较偏爱选择这种来进行实现。
    
      但是在我们的实现中，会选择第一种来进行实现，主要原因是第一种的实现会涵盖第二种的情况，而如果仅仅实现了第二种，在实现第一种的时候，还是需要去考虑不同的情况，所以我们来实现比较繁琐的一个。
    
      OK，那就确定下来，我们现在是使用C语言，在VS2005下，来开发一个不带头节点的链表程序。
    
      C语言，根据其历史，分为C89与C99，具体2005支持的，并没有详细去查找，应该是C99。如果对C语言的一些语法不熟悉的话，可以去下载相关的manual。同时书的话，也就是K&R的TCPL了（The C Programming Language）。再加上一些C FAQ，以及MSDN来进行相关的参考。
    
      这里除了C++模板之外，在实现时都会遇到一个问题，我们的链表中存储的数据到底是什么类型的？当然，我们可以在C中使用void *来指向具体的保存数据的内存，这样来达到一个通用的目的，也可以使用linux中包含链表节点结构这种hack的方法来实现。但是我们这里仅仅是为了讨论的方便，存储的数据的类型定义为int型。
    
      说到int类型，就要考虑一下，机器类型，操作系统，编译器等是否会对程序有影响。使用机器为普通PC，机器为IA32架构，操作系统为windows XP 32位版本，编译环境前面已经提过，为VS2005，并没有使用其他的平台SDK。这个在嵌入式开发中考虑得比较重要，尤其是在数据进行传输后，还有大小端、字节对齐等问题，当然，现在我们并不需要考虑这些。
    
      同时，要说明的就是，我们的程序是单线程的。C和C++从语言层面是不支持多线程的，而是操作系统本身来支持多线程，类UNIX系统使用POSIX来支持多线程，而windows本身也有对应的API支持多线程，同时现在也支持POSIX了。而JAVA语言本身从语言层面就支持多线程。引入多线程操作，就需要加入锁机制，临界区等，这又是其他应用范畴了。同时，多线程的调试比单线程要麻烦得多，从只是介绍数据结构的方面来说，我们并不需要如此复杂。但是在工程方面，世界本身就是复杂的，我们只能去适应这样的复杂性。
    
      使用C和C++来实现一遍，而不是只是分析源码，同时先C再C++的目的：

因为在链表的实现过程中，会使用到很多C和C++的基础知识，而且应该还是比较核心，比较深入一些的知识，（当然，使用一般的C/C++知识也可以完成，但是在具体优秀代码的实现过程中，还是使用了很多深入的思想的）

首先使用C来实现，因为使用C++还会增加很多C++特有的语法特性，增加很多其他的考虑和麻烦。比如友元类，友元函数，嵌套类，构造函数，析构函数，模板使用时的问题，包括具体编译器对于模板的支持问题，具体操作时参数如何设置，是否使用引用，返回值如何设置，是否使用引用。内存分配的问题，异常处理等。

所以先使用C，来将链表相关的操作编写清楚后，再来用C++来实现，查漏补缺，将对应的概念来梳理清楚。达到至此之后，链表再无问题的目的。

最后有个麻烦的就是画图问题，最好的就是在分析链表的时候，有对应的分析图，这样很直观明了，但是在纸上画好画，在电脑上画这样的图还是不好用，不知道有没有什么好的方法来描述数据结构的。

做这个的目的有两个：

一个是对链表本身的概念深入和程序熟悉，达到对链表本身的问题熟练解决的目的。
第二个是通过对链表的深入，来将各方面的知识点融汇贯通，达到提高自己技术的目的。

      其实经常会有一些错误的观点，认为自己写出的东西有这样那样的问题，而开源的代码，或者有名的代码应该就会很好，但是实际上，并不一定是如此，其基本的概念还是一样的，常常写东西的时候，有个其他代码的参考就感觉比较好，即使自己不太看，就感觉还不错，如果自己写的话，就会感觉无从下手，或者脑中一堆东西，很乱很复杂，这个还是编程太少的原因，需要慢慢改进，但是有意识的提高还是比无意识的锻炼要效果好得多的。

同时，在编写链表的时候，可以慢慢考虑，由简单的链表，如何保留接口，进行相应的扩展，合适各种需求的使用。

发现第一篇已经写了不少字数了，那关于单向链表的实现，就放在第二章开始。恩，大家如果不耐烦，想丢鸡蛋的话就丢吧，我闪~~