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# 02 线性表
知识结构:
1. 线性表的定义与操作
1.1 线性表的定义
线性表(Linear List)是由$n (n≥0)$个相同类型的数据元素$a_0,a_1,⋯,a_{n-1}$组成的序列。即表中除首尾元素外,其它元素有且仅有一个直接前驱和直接后继。首元素仅有一个直接后继,尾元素仅有一个直接前驱,记为:$(a_0,a_1,⋯,a_{n-1})$。
表中数据元素的个数称为表的长度。
例1:字母表
(a,b,c,d,\dots,z)
例2:学生成绩表
1.2 线性表的操作
- 随机存取:获取或设置指定索引处的数据元素值。(支持索引器)
- 插入操作:将数据元素值插入到指定索引处。
- 移除操作:移除线性表指定索引处的数据元素。
- 查找操作:寻找具有特征值域的结点并返回其下标。
- 得到表长:获取线性表中实际包含数据元素的个数。
- 是否为空:判断线性表中是否包含数据元素。
- 清空操作:移除线性表中的所有数据元素。
using System;
namespace LinearStruct
{
/// <summary>
/// 线性表的抽象数据类型
/// </summary>
/// <typeparam name="T">线性表中元素的类型</typeparam>
public interface ILinearList<T> where T : IComparable<T>
{
/// <summary>
/// 获取线性表中实际包含元素的个数
/// </summary>
int Length { get; }
/// <summary>
/// 获取或设置指定索引处的元素
/// </summary>
/// <param name="index">要获取或设置的元素从零开始的索引</param>
/// <returns>指定索引处的元素</returns>
T this[int index] { get; set; }
/// <summary>
/// 判断线性表中是否包含元素
/// </summary>
/// <returns>如果包含元素返回false,否则返回true.</returns>
bool IsEmpty();
/// <summary>
/// 将元素插入到指定索引处
/// </summary>
/// <param name="index">从零开始的索引,应在该位置插入data.</param>
/// <param name="data">要插入的元素</param>
void Insert(int index, T data);
/// <summary>
/// 移除线性表指定索引处的元素
/// </summary>
/// <param name="index">要移除元素从0开始的索引</param>
void Remove(int index);
/// <summary>
/// 在线性表中寻找元素data.
/// </summary>
/// <param name="data">要寻找的元素</param>
/// <returns>如果存在返回该元素在线性表中的位置,否则返回-1.</returns>
int Search(T data);
/// <summary>
/// 从线性表中移除所有元素
/// </summary>
void Clear();
}
}
2. 线性表的顺序存储与实现
定义:利用顺序存储结构(即利用数组)实现的线性表,称为顺序表。
特点:逻辑结构与存储结构相同;具有随机存取的特点。
实现:
using System;
namespace LinearStruct
{
/// <summary>
/// 用顺序存储结构实现的线性表
/// </summary>
/// <typeparam name="T">顺序表中元素的类型</typeparam>
public class SeqList<T> : ILinearList<T> where T : IComparable<T>
{
/// <summary>
/// 数据集合
/// </summary>
protected readonly T[] Dataset;
/// <summary>
/// 获取SeqList中实际包含元素的个数
/// </summary>
public int Length { get; private set; }
/// <summary>
/// 获取SeqList中最多包含元素的个数
/// </summary>
public int MaxSize { get; }
/// <summary>
/// 初始化SeqList类的新实例
/// </summary>
/// <param name="max">SeqList中最多包含元素的个数</param>
public SeqList(int max)
{
if (max <= 0)
throw new ArgumentOutOfRangeException();
MaxSize = max;
Dataset = new T[MaxSize];
Length = 0;
}
/// <summary>
/// 获取或设置指定索引处的元素
/// </summary>
/// <param name="index">要获得或设置的元素从零开始的索引</param>
/// <returns>指定索引处的元素</returns>
public T this[int index]
{
get
{
if (index < 0 || index > Length - 1)
throw new IndexOutOfRangeException();
return Dataset[index];
}
set
{
if (index < 0 || index > Length - 1)
throw new IndexOutOfRangeException();
Dataset[index] = value;
}
}
/// <summary>
/// 判断SeqList中是否包含元素
/// </summary>
/// <returns>如果包含元素返回false,否则返回true.</returns>
public bool IsEmpty()
{
return Length == 0;
}
/// <summary>
/// 将元素插入到指定索引处
/// </summary>
/// <param name="index">从零开始的索引,应在该位置插入data.</param>
/// <param name="data">要插入的元素</param>
public void Insert(int index, T data)
{
if (index < 0 || index > Length)
throw new IndexOutOfRangeException();
if (Length == MaxSize)
throw new Exception("达到最大值");
for (int i = Length; i > index; i--)
{
Dataset[i] = Dataset[i - 1];
}
Dataset[index] = data;
Length++;
}
/// <summary>
/// 移除SeqList指定索引处的元素
/// </summary>
/// <param name="index">要移除元素从0开始的索引</param>
public void Remove(int index)
{
if (index < 0 || index > Length - 1)
throw new IndexOutOfRangeException();
for (int i = index; i < Length - 1; i++)
{
Dataset[i] = Dataset[i + 1];
}
Length--;
}
/// <summary>
/// 在SeqList中寻找元素data.
/// </summary>
/// <param name="data">要寻找的元素</param>
/// <returns>如果存在返回该元素在线性表中的位置,否则返回-1.</returns>
public int Search(T data)
{
int i;
for (i = 0; i < Length; i++)
{
if (Dataset[i].CompareTo(data) == 0)
break;
}
return i == Length ? -1 : i;
}
/// <summary>
/// 从SeqList中移除所有元素
/// </summary>
public void Clear()
{
Length = 0;
}
}
}
应用:
using System;
using LinearStruct;
namespace ExampleList
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
ListTest(new SeqList<string>(500));
// 2
// a1
// a3
}
private static void ListTest(ILinearList<string> lst)
{
lst.Insert(0, "a1");
lst.Insert(1, "a2");
lst.Insert(2, "a3");
lst.Remove(1);
Console.WriteLine(lst.Length);
for (int i = 0; i < lst.Length; i++)
{
Console.WriteLine(lst[i]);
}
}
}
}
3. 线性表的链式存储与实现
利用指针方式实现的线性表称为链表(单链表、循环链表、双向链表)。它不要求逻辑上相邻的数据元素在物理位置上也相邻,即:逻辑结构与物理结构可以相同也可以不相同。
例3:将线性表$(a_3,a_4,a_5)$以链表的形式存储。
3.1 单链表
定义:每个结点只含有一个链域(指针域)的链表。即:利用单链域的方式存储线性表的逻辑结构。
结构:
实现:
对结点的封装:
using System;
namespace LinearStruct
{
/// <summary>
/// 单链表结点
/// </summary>
/// <typeparam name="T">结点中数据元素的类型</typeparam>
public class SNode<T> where T : IComparable<T>
{
/// <summary>
/// 获取或设置该结点的数据元素
/// </summary>
public T Data { get; set; }
/// <summary>
/// 获取或设置该结点的后继结点
/// </summary>
public SNode<T> Next { get; set; }
/// <summary>
/// 初始化SNode类的新实例
/// </summary>
/// <param name="data">该结点的数据元素</param>
/// <param name="next">该结点的后继结点</param>
public SNode(T data, SNode<T> next = null)
{
Data = data;
Next = next;
}
}
}
对单链表的封装:
using System;
namespace LinearStruct
{
/// <summary>
/// 用链式存储结构实现的线性表--单链表
/// </summary>
/// <typeparam name="T">单链表中元素的类型</typeparam>
public class SLinkList<T> : ILinearList<T> where T : IComparable<T>
{
/// <summary>
/// 存储头结点
/// </summary>
protected SNode<T> PHead { get; set; }
/// <summary>
/// 获取SLinkList中实际包含元素的个数
/// </summary>
public int Length { get; private set; }
/// <summary>
/// 初始化SLinkList类的新实例
/// </summary>
public SLinkList()
{
Length = 0;
PHead = null;
}
/// <summary>
/// 将元素插入到单链表的首部
/// </summary>
/// <param name="data">要插入的元素</param>
public void InsertAtFirst(T data)
{
PHead = new SNode<T>(data, PHead);
Length++;
}
/// <summary>
/// 获得指定索引处的结点
/// </summary>
/// <param name="index">元素从零开始的索引</param>
/// <returns>指定索引处的结点</returns>
private SNode<T> Locate(int index)
{
if (index < 0 || index > Length - 1)
throw new IndexOutOfRangeException();
SNode<T> temp = PHead;
for (int i = 0; i < index; i++)
{
temp = temp.Next;
}
return temp;
}
/// <summary>
/// 将元素插入到单链表的尾部
/// </summary>
/// <param name="data">要插入的元素</param>
public void InsertAtRear(T data)
{
if (PHead == null)
{
PHead = new SNode<T>(data);
}
else
{
Locate(Length - 1).Next = new SNode<T>(data);
}
Length++;
}
/// <summary>
/// 获取或设置指定索引处的元素
/// </summary>
/// <param name="index">要获得或设置的元素从零开始的索引</param>
/// <returns>指定索引处的元素</returns>
public T this[int index]
{
get
{
if (index < 0 || index > Length - 1)
throw new IndexOutOfRangeException();
return Locate(index).Data;
}
set
{
if (index < 0 || index > Length - 1)
throw new IndexOutOfRangeException();
Locate(index).Data = value;
}
}
/// <summary>
/// 判断SLinkList中是否包含元素
/// </summary>
/// <returns>如果包含元素返回false,否则返回true.</returns>
public bool IsEmpty()
{
return Length == 0;
}
/// <summary>
/// 将元素插入到指定索引处
/// </summary>
/// <param name="index">从零开始的索引,应在该位置插入data.</param>
/// <param name="data">要插入的元素</param>
public void Insert(int index, T data)
{
if (index < 0 || index > Length)
throw new IndexOutOfRangeException();
if (index == 0)
{
InsertAtFirst(data);
}
else if (index == Length)
{
InsertAtRear(data);
}
else
{
SNode<T> temp = Locate(index - 1);
temp.Next = new SNode<T>(data, temp.Next);
Length++;
}
}
/// <summary>
/// 移除SLinkList指定索引处的元素
/// </summary>
/// <param name="index">要移除元素从0开始的索引</param>
public void Remove(int index)
{
if (index < 0 || index > Length - 1)
throw new IndexOutOfRangeException();
if (index == 0)
{
PHead = PHead.Next;
}
else
{
SNode<T> temp = Locate(index - 1);
temp.Next = temp.Next.Next;
}
Length--;
}
/// <summary>
/// 在SLinkList中寻找元素data.
/// </summary>
/// <param name="data">要寻找的元素</param>
/// <returns>如果存在返回该元素在线性表中的位置,否则返回-1.</returns>
public int Search(T data)
{
int i;
SNode<T> temp = PHead;
for (i = 0; i < Length; i++)
{
if (temp.Data.CompareTo(data) == 0)
break;
temp = temp.Next;
}
return i == Length ? -1 : i;
}
/// <summary>
/// 从SLinkList中移除所有元素
/// </summary>
public void Clear()
{
PHead = null;
Length = 0;
}
}
}
应用:
using System;
using LinearStruct;
namespace ExampleList
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
ListTest(new SLinkList<string>());
// 2
// a1
// a3
}
private static void ListTest(ILinearList<string> lst)
{
lst.Insert(0, "a1");
lst.Insert(1, "a2");
lst.Insert(2, "a3");
lst.Remove(1);
Console.WriteLine(lst.Length);
for (int i = 0; i < lst.Length; i++)
{
Console.WriteLine(lst[i]);
}
}
}
}
3.2 循环链表
定义:是一种首尾相连的单链表。即:在单链表中,将尾结点的指针域null改为指向PHead,就得到单链形式的循环链表。
表现形式:
通常情况下,使用尾指针表示循环链表。
实现:
对循环链表的封装:
using System;
namespace LinearStruct
{
/// <summary>
/// 用链式存储结构实现的线性表--循环链表
/// </summary>
/// <typeparam name="T">循环链表中元素的类型</typeparam>
public class CLinkList<T> : ILinearList<T> where T : IComparable<T>
{
/// <summary>
/// 存储尾部结点
/// </summary>
protected SNode<T> PRear { get; set; }
/// <summary>
/// 获取CLinkList中实际包含元素的个数
/// </summary>
public int Length { get; private set; }
/// <summary>
/// 获取或设置指定索引处的元素
/// </summary>
/// <param name="index">要获得或设置的元素从零开始的索引</param>
/// <returns>指定索引处的元素</returns>
public T this[int index]
{
get
{
if (index < 0 || index > Length - 1)
throw new IndexOutOfRangeException();
return Locate(index).Data;
}
set
{
if (index < 0 || index > Length - 1)
throw new IndexOutOfRangeException();
Locate(index).Data = value;
}
}
/// <summary>
/// 初始化CLinkList类的新实例
/// </summary>
public CLinkList()
{
Length = 0;
PRear = null;
}
/// <summary>
/// 判断CLinkList中是否包含元素
/// </summary>
/// <returns>如果包含元素返回false,否则返回true.</returns>
public bool IsEmpty()
{
return Length == 0;
}
/// <summary>
/// 将元素插入到循环链表的尾部
/// </summary>
/// <param name="data">要插入的元素</param>
public void InsertAtRear(T data)
{
if (IsEmpty())
{
PRear = new SNode<T>(data);
PRear.Next = PRear;
}
else
{
SNode<T> temp = new SNode<T>(data, PRear.Next);
PRear.Next = temp;
PRear = temp;
}
Length++;
}
/// <summary>
/// 将元素插入到循环链表的首部
/// </summary>
/// <param name="data">要插入的元素</param>
public void InsertAtFirst(T data)
{
if (IsEmpty())
{
PRear = new SNode<T>(data);
PRear.Next = PRear;
}
else
{
SNode<T> temp = new SNode<T>(data, PRear.Next);
PRear.Next = temp;
}
Length++;
}
/// <summary>
/// 获得指定索引处的结点
/// </summary>
/// <param name="index">元素从零开始的索引</param>
/// <returns>指定索引处的结点</returns>
private SNode<T> Locate(int index)
{
if (index < 0 || index > Length - 1)
throw new IndexOutOfRangeException();
SNode<T> temp = PRear.Next;
for (int i = 0; i < index; i++)
{
temp = temp.Next;
}
return temp;
}
/// <summary>
/// 将元素插入到指定索引处
/// </summary>
/// <param name="index">从零开始的索引,应在该位置插入data.</param>
/// <param name="data">要插入的元素</param>
public void Insert(int index, T data)
{
if (index < 0 || index > Length)
throw new IndexOutOfRangeException();
if (index == 0)
{
InsertAtFirst(data);
}
else if (index == Length)
{
InsertAtRear(data);
}
else
{
SNode<T> temp = Locate(index - 1);
temp.Next = new SNode<T>(data, temp.Next);
Length++;
}
}
/// <summary>
/// 移除CLinkList指定索引处的元素
/// </summary>
/// <param name="index">要移除元素从0开始的索引</param>
public void Remove(int index)
{
if (index < 0 || index > Length - 1)
throw new IndexOutOfRangeException();
if (PRear == PRear.Next)
{
PRear = null;
}
else
{
if (index == Length - 1)
{
SNode<T> temp = Locate(Length - 2);
temp.Next = PRear.Next;
PRear = temp;
}
else if (index == 0)
{
PRear.Next = PRear.Next.Next;
}
else
{
SNode<T> temp = Locate(index - 1);
temp.Next = temp.Next.Next;
}
}
Length--;
}
/// <summary>
/// 在CLinkList中寻找元素data.
/// </summary>
/// <param name="data">要寻找的元素</param>
/// <returns>如果存在返回该元素在线性表中的位置,否则返回-1.</returns>
public int Search(T data)
{
int i;
SNode<T> temp = PRear;
for (i = 0; i < Length; i++)
{
if (temp.Next.Data.CompareTo(data) == 0)
break;
temp = temp.Next;
}
return (i == Length) ? -1 : i;
}
/// <summary>
/// 从CLinkList中移除所有元素
/// </summary>
public void Clear()
{
Length = 0;
PRear = null;
}
}
}
应用:
using System;
using LinearStruct;
namespace ExampleList
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
ListTest(new CLinkList<string>());
// 2
// a1
// a3
}
private static void ListTest(ILinearList<string> lst)
{
lst.Insert(0, "a1");
lst.Insert(1, "a2");
lst.Insert(2, "a3");
lst.Remove(1);
Console.WriteLine(lst.Length);
for (int i = 0; i < lst.Length; i++)
{
Console.WriteLine(lst[i]);
}
}
}
}
3.3 双向链表
定义:每个结点含有两个链域(指针域)的链表。即:利用双链域的方式存储线性表的逻辑结构。
结构:
实现:
对结点的封装:
using System;
namespace LinearStruct
{
/// <summary>
/// 双向链表结点
/// </summary>
/// <typeparam name="T">结点中数据元素的类型</typeparam>
public class DNode<T> where T : IComparable<T>
{
/// <summary>
/// 获取或设置该结点的前趋结点
/// </summary>
public DNode<T> Prior { get; set; }
/// <summary>
/// 获取或设置该结点的后继结点
/// </summary>
public DNode<T> Next { get; set; }
/// <summary>
/// 获取或设置该结点的数据元素
/// </summary>
public T Data { get; set; }
/// <summary>
/// 初始化DNode类的新实例
/// </summary>
/// <param name="data">该结点的数据元素</param>
/// <param name="prior">该结点的前趋结点</param>
/// <param name="next">该结点的后继结点</param>
public DNode(T data, DNode<T> prior = null, DNode<T> next = null)
{
Prior = prior;
Data = data;
Next = next;
}
}
}
对双向链表的封装:
using System;
namespace LinearStruct
{
/// <summary>
/// 用链式存储结构实现的线性表--双链表
/// </summary>
/// <typeparam name="T">结点中数据元素的类型</typeparam>
public class DLinkList<T> : ILinearList<T> where T : IComparable<T>
{
/// <summary>
/// 存储头结点
/// </summary>
protected DNode<T> PHead { get; set; }
/// <summary>
/// 存储尾结点
/// </summary>
protected DNode<T> PRear { get; set; }
/// <summary>
/// 获取DLinkList中实际包含元素的个数
/// </summary>
public int Length { get; private set; }
/// <summary>
/// 初始化DLinkList类的新实例
/// </summary>
public DLinkList()
{
PHead = null;
PRear = null;
Length = 0;
}
/// <summary>
/// 将元素插入到双链表的首部
/// </summary>
/// <param name="data">要插入的元素</param>
public void InsertAtFirst(T data)
{
if (IsEmpty())
{
DNode<T> temp = new DNode<T>(data);
PHead = temp;
PRear = temp;
}
else
{
DNode<T> temp = new DNode<T>(data, null, PHead);
PHead.Prior = temp;
PHead = temp;
}
Length++;
}
/// <summary>
/// 将元素插入到双链表的尾部
/// </summary>
/// <param name="data">要插入的元素</param>
public void InsertAtRear(T data)
{
if (IsEmpty())
{
DNode<T> temp = new DNode<T>(data);
PHead = temp;
PRear = temp;
}
else
{
DNode<T> temp = new DNode<T>(data, PRear, null);
PRear.Next = temp;
PRear = temp;
}
Length++;
}
/// <summary>
/// 获得指定索引处的结点
/// </summary>
/// <param name="index">元素从零开始的索引</param>
/// <returns>指定索引处的结点</returns>
private DNode<T> Locate(int index)
{
if (index < 0 || index > Length - 1)
throw new IndexOutOfRangeException();
DNode<T> temp = PHead;
for (int i = 0; i < index; i++)
{
temp = temp.Next;
}
return temp;
}
/// <summary>
/// 将元素插入到指定索引处
/// </summary>
/// <param name="index">从零开始的索引,应在该位置插入data.</param>
/// <param name="data">要插入的元素</param>
public void Insert(int index, T data)
{
if (index < 0 || index > Length)
throw new IndexOutOfRangeException();
if (index == 0)
{
InsertAtFirst(data);
}
else if (index == Length)
{
InsertAtRear(data);
}
else
{
DNode<T> temp1 = Locate(index);
DNode<T> temp2 = new DNode<T>(data, temp1.Prior, temp1);
temp2.Prior.Next = temp2;
temp2.Next.Prior = temp2;
Length++;
}
}
/// <summary>
/// 移除DLinkList指定索引处的元素
/// </summary>
/// <param name="index">要移除元素从0开始的索引</param>
public void Remove(int index)
{
if (index < 0 || index > Length - 1)
throw new IndexOutOfRangeException();
if (Length == 1)
{
PHead = null;
PRear = null;
}
else
{
if (index == 0)
{
PHead = PHead.Next;
PHead.Prior = null;
}
else if (index == Length - 1)
{
PRear = PRear.Prior;
PRear.Next = null;
}
else
{
DNode<T> temp = Locate(index);
temp.Prior.Next = temp.Next;
temp.Next.Prior = temp.Prior;
}
}
Length--;
}
/// <summary>
/// 判断DLinkList中是否包含元素
/// </summary>
/// <returns>如果包含元素返回false,否则返回true.</returns>
public bool IsEmpty()
{
return Length == 0;
}
/// <summary>
/// 从DLinkList中移除所有元素
/// </summary>
public void Clear()
{
Length = 0;
PHead = null;
PRear = null;
}
/// <summary>
/// 在DLinkList中寻找元素data.
/// </summary>
/// <param name="data">要寻找的元素</param>
/// <returns>如果存在返回该元素在线性表中的位置,否则返回-1.</returns>
public int Search(T data)
{
int i;
DNode<T> temp = PHead;
for (i = 0; i < Length; i++)
{
if (temp.Data.CompareTo(data) == 0)
break;
temp = temp.Next;
}
return i == Length ? -1 : i;
}
/// <summary>
/// 获取或设置指定索引处的元素
/// </summary>
/// <param name="index">要获得或设置的元素从零开始的索引</param>
/// <returns>指定索引处的元素</returns>
public T this[int index]
{
get
{
if (index < 0 || index > Length - 1)
throw new IndexOutOfRangeException();
return Locate(index).Data;
}
set
{
if (index < 0 || index > Length - 1)
throw new IndexOutOfRangeException();
Locate(index).Data = value;
}
}
}
}
应用:
using System;
using LinearStruct;
namespace ExampleList
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
ListTest(new DLinkList<string>());
// 2
// a1
// a3
}
private static void ListTest(ILinearList<string> lst)
{
lst.Insert(0, "a1");
lst.Insert(1, "a2");
lst.Insert(2, "a3");
lst.Remove(1);
Console.WriteLine(lst.Length);
for (int i = 0; i < lst.Length; i++)
{
Console.WriteLine(lst[i]);
}
}
}
}














