第二十五课 静态单链表的实现

静态单链表是一种新的数据结构类型。

我们往线性表中添加的元素的个数是固定的，例如最大100个。

只是这100个元素会经常的变动。

这时候是顺序表还是单链表合适呢？

显然是单链表，但是单链表也有问题。

缺陷：

解决方案：

我们在顺序表的内部预留了空间，这片空间用来增加删除数据元素。配合单链表就形成了静态单链表。

在静态单链表中的操作和普通单链表几乎一样，只有两个函数有差异：create和destroy

静态单链表的继承层次结构：

 

示例：

 

编译时，第15行报错，因为第15行的写法中，编译器不知道Node是一个类型还是一个静态变量。因此，我们需要加上typename关键字。

写成以下方式就可以了：

unsigned char m_space[sizeof(typename LinkList<T>::Node) * N];

但是这样写太繁琐了，而且第18行的Node也要修改，我们改成以下的形式：

这样就没有错误了。

create函数如下：

 

 获得空间的指针后，由于Node中可能含有自定义类型T对象，因此，我们还需要调用Node的构造函数。通过重载new来实现。

我们自定义一个类型SNode，并且重载new，在指定的地址上调用构造函数，然后直接返回这个调用的地址即可。

 

完整的StaticLinkList.h如下：

#ifndef STATICLINKLIST_H
#define STATICLINKLIST_H

#include "LinkList.h"

namespace DTLib
{

template< typename T, int N >
class StaticLinkList : public LinkList<T>
{
protected:
    // Node和泛指类型T有关系，因此，不能直接在子类中使用sizeof(Node),而应该
    // sizeof(LinkList<T>::Node)
    // unsigned char m_space[sizeof(typename LinkList<T>::Node) * N];  // 预留空间
    typedef typename LinkList<T>::Node Node;

    struct SNode : public Node
    {
        void* operator new(unsigned int size, void* loc)
        {
            (void)size; // 消除 size没有使用的警告
            return loc;
        }
    };

    unsigned char m_space[sizeof(SNode) * N];  // 预留空间
    int m_used[N];   //预留空间的标记数组

    Node* create()
    {
        SNode* ret = NULL;

        for(int i = 0; i < N; i++)
        {
            if( !m_used[i] )
            {
                ret = reinterpret_cast<SNode*>(m_space) + i;
                ret = new(ret)SNode(); //在指定空间ret上调用SNode类的构造函数。
                m_used[i] = 1;
                break;
            }
        }

        return ret;
    }

    void destroy(Node* pn)
    {
        SNode* space = reinterpret_cast<SNode*>(m_space);
        SNode* psn = dynamic_cast<SNode*>(pn);

        for(int i = 0; i<N; i++)
        {
            if( psn == (space + i))
            {
                m_used[i] = 0;
                psn->~SNode();
            }
        }
    }

public:
    StaticLinkList()
    {
        for(int i = 0; i < N; i++)
        {
            m_used[i] = 0;
        }
    }

    int capacity()
    {
        return N;
    }
};

}

#endif // STATICLINKLIST_H

第39行的程序会调用到自己重载的new（这里是placement new）操作符，在重载的new操作符中返回的还是ret（相当于申请了空间并返回地址）。然后在指定的地址ret上调用构造函数，

第39行就是placement new的使用，第20行重载的也是placement new。

对于自定义的类，如果想在指定的地址上调用构造函数，必须要重载placement new，否则编译报错。

自定义类在指定地址上调用构造函数就和本程序中第39行类似，new的行为是先返回申请的地址（placement new的重载中返回了loc），然后在这个地址上调用构造函数。

如果我们在SNode中重载普通的new，并且在这个new函数中搜索预留的空间，找到空间后返回首地址。这样的话我们调用new SNode()时就会返回首地址，并且在这个地址上调用构造函数。这样的话在其他成员函数中向获得Node对象时就得使用new SNode()这种操作。而我们想统一接口，使用create返回Node对象，因此，在create中先搜索地址，又调用了placement new，placement new中只返回地址。

create还有一种可能的实现方式就是，在create函数中直接调用普通的new，在SNode中重载普通的new，在这个new中搜索地址，并返回地址，返回地址到create后会自动调用构造函数。如果是在堆上分配空间，或者预留空间是在静态区上，那么这种实现方式没有问题，而在我们的程序中，m_space和m_used都是普通的成员变量，搜索空间必然会用到这几个变量，而重载的new（placement new）默认就是静态的，因此，在重载new函数中不能使用m_space和m_used，而如果把它们定义成静态的，那就会被所有对象共用，这又不符合逻辑，所以这种create实现方式被否定了。

测试程序如下：

#include <iostream>
#include "StaticLinkList.h"


using namespace std;
using namespace DTLib;


int main()
{
    StaticLinkList<int, 5> list;

    for(int i = 0; i<5; i++)
    {
        list.insert(0,i);
    }

    //遍历时必须先调用move函数
    for(list.move(0); !list.end(); list.next())
    {
        cout << list.current() << endl;
    }

    return 0;
}

结果如下：

 

第二个测试程序如下：

#include <iostream>
#include "StaticLinkList.h"


using namespace std;
using namespace DTLib;


int main()
{
    StaticLinkList<int, 5> list;

    for(int i = 0; i<5; i++)
    {
        list.insert(0,i);
    }

    list.insert(6);

    //遍历时必须先调用move函数
    for(list.move(0); !list.end(); list.next())
    {
        cout << list.current() << endl;
    }

    return 0;
}

结果：

 

 这是由于，在第18行我们又尝试插入一个元素，而我们定义的空间大小本身就是5，没有了足够的空间，StaticLinkList类中的create函数就返回NULL，这个类中的insert函数是继承自LinkList类的，在insert中会判断指针是否为空，如果为空就抛出异常。这里就和我们的运行结果对应上了。

更改测试程序：

#include <iostream>
#include "StaticLinkList.h"


using namespace std;
using namespace DTLib;


int main()
{
    StaticLinkList<int, 5> list;

    for(int i = 0; i<5; i++)
    {
        list.insert(0,i);
    }

    try
    {
        list.insert(6);
    }
    catch(Exception& e)
    {
        cout << e.message() << endl;
    }

    //遍历时必须先调用move函数
    for(list.move(0); !list.end(); list.next())
    {
        cout << list.current() << endl;
    }

    return 0;
}

结果如下：

 

 

 

 小结：