05 | 链表(下):如何轻松写出正确的链表代码?

上一节我讲了链表相关的基础知识。学完之后,我看到有人留言说,基础知识我都掌握了,但是写链表代码还是很费劲。哈哈,的确是这样的!

 

想要写好链表代码并不是容易的事儿,尤其是那些复杂的链表操作,比如链表反转、有序链表合并等,写的时候非常容易出错。,能把“链表反转”这几行代码写对的人不足 10% 。

 

为什么链表代码这么难写?究竟怎样才能比较轻松地写出正确的链表代码呢?

 

只要愿意投入时间,我觉得大多数人都是可以学会的。比如说,如果你真的能花上一个周末或者一整天的时间,就去写链表反转这一个代码,多写几遍,一直练到能毫不费力地写出 Bug free 的代码。这个坎还会很难跨吗?

 

当然,自己有决心并且付出精力是成功的先决条件,除此之外,我们还需要一些方法和技巧。我根据自己的学习经历和工作经验,总结了几个写链表代码技巧。如果你能熟练掌握这几个技巧,加上你的主动和坚持,轻松拿下链表代码完全没有问题。

 

技巧一:理解指针或引用的含义

 

事实上,看懂链表的结构并不是很难,但是一旦把它和指针混在一起,就很容易让人摸不着头脑。所以,要想写对链表代码,首先就要理解好指针。

 

我们知道,有些语言有“指针”的概念,比如 C 语言;有些语言没有指针,取而代之的是“引用”,比如 Java、Python。不管是“指针”还是“引用”,实际上,它们的意思都是一样的,都是存储所指对象的内存地址。

 

接下来,我会拿 C 语言中的“指针”来讲解,如果你用的是 Java 或者其他没有指针的语言也没关系,你把它理解成“引用”就可以了。

 

实际上,对于指针的理解,你只需要记住下面这句话就可以了:

 

将某个变量赋值给指针,实际上就是将这个变量的地址赋值给指针,或者反过来说,指针中存储了这个变量的内存地址,指向了这个变量,通过指针就能找到这个变量。

 

这句话听起来还挺拗口的,你可以先记住。我们回到链表代码的编写过程中,我来慢慢给你解释。

 

在编写链表代码的时候,我们经常会有这样的代码:p->next=q。这行代码是说,p 结点中的 next 指针存储了 q 结点的内存地址。

 

还有一个更复杂的,也是我们写链表代码经常会用到的:p->next=p->next->next。这行代码表示,p 结点的 next 指针存储了 p 结点的下下一个结点的内存地址。

 

掌握了指针或引用的概念,你应该可以很轻松地看懂链表代码。恭喜你,已经离写出链表代码近了一步!

 

技巧二:警惕指针丢失和内存泄漏

 

不知道你有没有这样的感觉,写链表代码的时候,指针指来指去,一会儿就不知道指到哪里了。所以,我们在写的时候,一定注意不要弄丢了指针。+指针往往都是怎么弄丢的呢?我拿单链表的插入操作为例来给你分析一下

 

《05 | 链表(下):如何轻松写出正确的链表代码?》

 

如图所示,我们希望在结点 a 和相邻的结点 b 之间插入结点 x,假设当前指针 p 指向结点 a。如果我们将代码实现变成下面这个样子,就会发生指针丢失和内存泄露。

 

p->next = x;  // 将 p 的 next 指针指向 x 结点;
x->next = p->next;  // 将 x 的结点的 next 指针指向 b 结点;

  

初学者经常会在这儿犯错。p->next+指针在完成第一步操作之后,已经不再指向结点 b 了,而是指向结点 x。第 2 行代码相当于将 x 赋值给 x->next,自己指向自己。因此,整个链表也就断成了两半,从结点 b 往后的所有结点都无法访问到了。

 

对于有些语言来说,比如 C 语言,内存管理是由程序员负责的,如果没有手动释放结点对应的内存空间,就会产生内存泄露。所以,我们插入结点时,一定要注意操作的顺序,要先将结点 x 的 next 指针指向结点 b,再把结点 a 的 next 指针指向结点 x,这样才不会丢失指针,导致内存泄漏。所以,对于刚刚的插入代码,我们只需要把第 1 行和第 2 行代码的顺序颠倒一下就可以了。

 

同理,删除链表结点时,也一定要记得手动释放内存空间,否则,也会出现内存泄漏的问题。当然,对于像 Java 这种虚拟机自动管理内存的编程语言来说,就不需要考虑这么多了。

 

技巧三:利用哨兵简化实现难度

 

首先,我们先来回顾一下单链表的插入和删除操作。如果我们在结点 p 后面插入一个新的结点,只需要下面两行代码就可以搞定。

new_node->next = p->next;
p->next = new_node;

  

但是,当我们要向一个空链表中插入第一个结点,刚刚的逻辑就不能用了。我们需要进行下面这样的特殊处理,其中 head 表示链表的头结点。所以,从这段代码,我们可以发现,对于单链表的插入操作,第一个结点和其他结点的插入逻辑是不一样的。

 

if (head == null) {
  head = new_node;
}

  

我们再来看单链表结点删除操作。如果要删除结点 p 的后继结点,我们只需要一行代码就可以搞定。

 

 

p->next = p->next->next;

  

但是,如果我们要删除链表中的最后一个结点,前面的删除代码就不 work 了。跟插入类似,我们也需要对于这种情况特殊处理。写成代码是这样子的:

 

if (head->next == null) {
   head = null;
}

  

从前面的一步一步分析,我们可以看出,针对链表的插入、删除操作,需要对插入第一个结点和删除最后一个结点的情况进行特殊处理。这样代码实现起来就会很繁琐,不简洁,而且也容易因为考虑不全而出错。如何来解决这个问题呢?

 

技巧三中提到的哨兵就要登场了。哨兵,解决的是国家之间的边界问题。同理,这里说的哨兵也是解决“边界问题”的,不直接参与业务逻辑。

 

还记得如何表示一个空链表吗?head=null 表示链表中没有结点了。其中 head 表示头结点指针,指向链表中的第一个结点。

 

如果我们引入哨兵结点,在任何时候,不管链表是不是空,head 指针都会一直指向这个哨兵结点。我们也把这种有哨兵结点的链表叫带头链表。相反,没有哨兵结点的链表就叫作不带头链表。

 

我画了一个带头链表,你可以发现,哨兵结点是不存储数据的。因为哨兵结点一直存在,所以插入第一个结点和插入其他结点,删除最后一个结点和删除其他结点,都可以统一为相同的代码实现逻辑了。

 

《05 | 链表(下):如何轻松写出正确的链表代码?》

 

实际上,这种利用哨兵简化编程难度的技巧,在很多代码实现中都有用到,比如插入排序、归并排序、动态规划等。这些内容我们后面才会讲,现在为了让你感受更深,我再举一个非常简单的例子。代码我是用 C 语言实现的,不涉及语言方面的高级语法,很容易看懂,你可以类比到你熟悉的语言。

 

代码一:

int find(char* a, int n, char key) {
  int i = 0;
  while (i < n) {
    if (a[i] == key) {
      return i;
    }
    ++i;
  }
  return -1;
}

  

代码二:

inf find(char* a, int n, int key) {
  if (a[n-1] == key) {
    return n-1;
  }
  char tmp = a[n-1];
  a[n-1] = key;
  int i = 0;
  while (a[i] != key) {
    ++i;
  }
  a[n-1] = tmp;
  if (i == n-1) return -1;
  return i;
}

  

对比两段代码,在字符串 a 很长的时候,比如几万、几十万,你觉得哪段代码运行得更快点呢?答案是代码二,因为两段代码中执行次数最多就是 while 循环那一部分。第二段代码中,我们通过一个哨兵  a[n-1] = key,成功省掉了一个比较语句 i<n,不要小看这一条语句,当累积执行万次、几十万次时,累积的时间就很明显了。

 

当然,这只是为了举例说明哨兵的作用,你写代码的时候千万不要写第二段那样的代码,因为可读性太差了。大部分情况下,我们并不需要如此追求极致的性能。

 

技巧四:重点留意边界条件处理

 

软件开发中,代码在一些边界或者异常情况下,最容易产生 Bug。链表代码也不例外。要实现没有 Bug 的链表代码,一定要在编写的过程中以及编写完成之后,检查边界条件是否考虑全面,以及代码在边界条件下是否能正确运行。

 

我经常用来检查链表代码是否正确的边界条件有这样几个:

  如果链表为空时,代码是否能正常工作?

  如果链表只包含一个结点时,代码是否能正常工作?

  如果链表只包含两个结点时,代码是否能正常工作?

  代码逻辑在处理头结点和尾结点的时候,是否能正常工作?

 

当你写完链表代码之后,除了看下你写的代码在正常的情况下能否工作,还要看下在上面我列举的几个边界条件下,代码仍然能否正确工作。如果这些边界条件下都没有问题,那基本上可以认为没有问题了。

 

当然,边界条件不止我列举的那些。针对不同的场景,可能还有特定的边界条件,这个需要你自己去思考,不过套路都是一样的。+实际上,不光光是写链表代码,你在写任何代码时,也千万不要只是实现业务正常情况下的功能就好了,一定要多想想,你的代码在运行的时候,可能会遇到哪些边界情况或者异常情况。遇到了应该如何应对,这样写出来的代码才够健壮!

 

技巧五:举例画图,辅助思考

 

对于稍微复杂的链表操作,比如前面我们提到的单链表反转,指针一会儿指这,一会儿指那,一会儿就被绕晕了。总感觉脑容量不够,想不清楚。所以这个时候就要使用大招了,举例法和画图法。

 

你可以找一个具体的例子,把它画在纸上,释放一些脑容量,留更多的给逻辑思考,这样就会感觉到思路清晰很多。比如往单链表中插入一个数据这样一个操作,我一般都是把各种情况都举一个例子,画出插入前和插入后的链表变化,如图所示:

 

《05 | 链表(下):如何轻松写出正确的链表代码?》

 

看图写代码,是不是就简单多啦?而且,当我们写完代码之后,也可以举几个例子,画在纸上,照着代码走一遍,很容易就能发现代码中的 Bug。

 

技巧六:多写多练,没有捷径

 

如果你已经理解并掌握了我前面所讲的方法,但是手写链表代码还是会出现各种各样的错误,也不要着急。因为我最开始学的时候,这种状况也持续了一段时间。

 

现在我写这些代码,简直就和“玩儿”一样,其实也没有什么技巧,就是把常见的链表操作都自己多写几遍,出问题就一点一点调试,熟能生巧!

 

所以,我精选了 5 个常见的链表操作。你只要把这几个操作都能写熟练,不熟就多写几遍,我保证你之后再也不会害怕写链表代码。

 

单链表反转+链表中环的检测 两个有序的链表合并+删除链表倒数第 n 个结点 求链表的中间结点

 

内容小结

 

这节我主要和你讲了写出正确链表代码的六个技巧。分别是理解指针或引用的含义、警惕指针丢失和内存泄漏、利用哨兵简化实现难度、重点留意边界条件处理,以及举例画图、辅助思考,还有多写多练。

 

我觉得,写链表代码是最考验逻辑思维能力的。因为,链表代码到处都是指针的操作、边界条件的处理,稍有不慎就容易产生 Bug。链表代码写得好坏,可以看出一个人写代码是否够细心,考虑问题是否全面,思维是否缜密。所以,这也是很多面试官喜欢让人手写链表代码的原因。所以,这一节讲到的东西,你一定要自己写代码实现一下,才有效果。

 

课后思考

 

今天我们讲到用哨兵来简化编码实现,你是否还能够想到其他场景,利用哨兵可以大大地简化编码难度?

 

    原文作者:Crazymagic
    原文地址: https://www.cnblogs.com/crazymagic/p/9744558.html
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