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十一、静态单链表的实现

1、静态单链表的提出

需要频繁增删数据元素,可以选择单链表,如果数据元素的最大个数是固定的,可能需要一种新的数据结构

单链表的一个缺陷

触发条件:长时间使用单链表对象频繁增删数据元素可能结果:堆空间产生大量的内存碎片,导致系统运行缓慢

原因:每增加一个数据元素,都会在堆空间中创建一个数据结点,程序上看没问题,但是在一些系统中,长时间频繁增删堆空间结点,堆空间就可能产生大量内存碎片,直接结果就是系统运行缓慢。

解决方案:设计一种新的线性表

设计思路:在单链表的内部增加一片预留的空间,所有的Node对象都在这篇空间中动态创建和动态销毁

静态单链表需要的只是预留一片固定大小的连续存储空间(栈、堆、全局),不管出处只要是连续的就行,插入数据元素的时候就去这片连续空间中去看,是否有空闲的空间,找到之后就在这个空间中创建Node对象;删除的时候,现在这个内存空间中调用Node对象的析构函数,将这片内存空间标志为可用就行。

除了内存分布的不同,静态单链表和单链表是一样的,从代码上看,只需要更改creatdestory这样个函数就行了,以前操作的是堆空间中内存,现在操作的是那一片连续的内存空间了。

2、静态单链表的继承层次结构

3、静态单链表的实现

实现思路:

通过模板定义静态单链表类StaticLinkList在类中定义固定大小的空间unsigned char[]重写creatdestory函数,改变内存的分配和归还的方式在Node类中重载operator new操作符,用于在指定内存上创建对象

template <typename T, int N>class StaticLinkList : public LinkList<T>{ typedef typename LinkList<T>::Node Node;protected: unsigned char m_space[sizeof(Node) * N]; // 定义内存空间 int m_used; // 状态标记 // 分配内存单元,创建Node对象 Node* create() { Node ret = NULL; // 遍历判断m_used是否可用 for(int i = 0; i < N; i++) { if ( !m_used[i]) // 当前内存可用的时候,就可以用来分配使用了 { ret = reinterpret_cast<Node*>(m_used) + i; // 找到未使用的一个内存空间 // 步长为sizeof(Node) m_used[i] = 1; // 标记使用 break; } } return ret; } void destroy(Node* pn) { } };

注意这里会存在一个问题, 由于Node存在着一个泛指类类型成员变量value

struct Node : public Object{ T value; // 数据域 Node* next; // 指针域};

value可能会是一个用户自定义类类型对象,这里就会涉及到对象的构造问题,那么如何构造这个value,必然涉及到NOde的构造函数的调用,在什么时候调用Node的构造函数?上面的代码只是定义指向了一个新的内存空间,并不会调用构造函数

解决办法就是重载new操作符在指定内存空间上申请内存,此时就可以调用构造函数,具体实现的时候,我们定一个新的类,里面只有一个new操作符重载函数:

struct SNode : public Node { // 在指定内存上调用构造函数,需要两个参数 // 这就是定位new的方法,允许在一个特定的内存地址上构造对象 // 只传入一个指针类型的是实参时,定位new表达式构造对象但是不分配内存 void* operator new(size_t size, void* loc) { (void)size; return loc; } };

Node* create() { Node* ret = NULL; for(int i = 0; i < N; i++) { if ( !m_used[i]) { ret = reinterpret_cast<Node*>(m_used) + i; ret = new(ret) SNode(); // 调用SNode类的构造函数 m_used[i] = 1; break; } } return ret; }

destroy函数归还空间,找到对应空间之后对标志位清0,并调用该对象的析构函数

void destroy(Node* pn) { SNode* space = reinterpret_cast<SNode*>(m_space); SNode* spn = dynamic_cast<SNode*>(pn); for(int i = 0; i < N; i++) { if (spn == space + i) // 找到需要归还的内存单元 { m_used[i] = 0; // 标记可用 spn->~SNode(); // 调用析构函数,这里需要使用的是子类的析构函数,故需要对pn进行一个强制类型转换成子类对象 } } }

完善其它函数

// 构造函数:标记每个内存单元可用public: StaticLinkList() { for(int i = 0; i < N; i++) { m_used[i] = 0; } } int capacity() { return N; }

LinkList中封装createdestroy函数意义:

为静态单链表StaticLinkList的实现做准备,StaticLinkListLinkList的不同仅在于链表结点内存分配上的不同;因此,将仅有的不同封装于父类和子类的虚函数中。

4、小结

顺序表与单链表结合衍生出静态单链表。

静态单链表是LinkList的子类,拥有单链表的所有操作

静态单链表在预留的空间中创建和删除结点对象。

静态单链表适合于频繁增删数据元素且最大元素个数固定的场合。