Джулиан Бакнелл - Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi

var

HeadNode : PSimpleNode;

begin

• • •

New(HeadNode);

HeadNode^.Next := nil;

После этой небольшой подготовительной части все вставки и удаления можно будет выполнять с помощью операций "вставить после" и "удалить после". Операция "вставить после первого узла" сводится к вставке нового элемента после фиктивного узла, а операция "удалить первый узел" превращается в удаление элемента после начального узла. За счет использования фиктивного начального узла нам удалось избежать специальных случаев.

Конечно, введение фиктивного начального узла усложнило реализацию класса: теперь при создании нового связного списка нам нужно распределить и инициализировать дополнительный узел, а при удалении списка - уничтожить этот узел.

Перед написанием класса связного списка нужно рассмотреть еще один вопрос. Мы начали с того, что объявили тип узла как запись (тип TSimpleNode), в которой хранятся (1) данные и (2) указатель на следующий узел списка. Второе поле записи удалить нельзя - оно требуется для организации связного списка. Но первое зависит от приложения или конкретного использования списка в данный момент. Фактически поле данных может представлять собой не одно, а несколько полей в отдельной записи или даже объект. Очень сложно написать общий класс связного списка, если неизвестен тип данных, который будет в нем содержаться.

Однако решение этой задачи существует, даже целых два. Первое - объявить класс родительского узла, который бы содержал только указатель Next, а пользователь сам в дочернем классе объявит элементы, содержащие данные узла. В таком случае реализация базового класса будет распределять и освобождать память для узла, поскольку все, что нужно для организации связного списка - это выделенные узлы, указателями Next которых можно манипулировать. Такое решение одновременно является как элегантным, так и неэлегантным. Оно соответствует парадигме объектно-ориентированного программирования, но для хранения данных приходится объявлять дочерний класс (а что если элементы, которые необходимо поместить в список, являются экземплярами класса, над которым вы не имеете контроля?).

Второе решение, которое можно считать более удачным, - представить данные в форме нетипизированного указателя. (Для этого имеются все предпосылки - в Delphi подобным образом работает стандартный класс TList.) При добавлении элемента в связный список классу списка передается только значение указателя (скажем, указателя на данные или объект в куче), а все остальное делает сам список: распределяет память под узел, устанавливает значения данных и манипулирует ссылками. Это решение обходит проблему незнания типа данных, поскольку пользователь класса может не беспокоиться об указателях Next, не должен распределять для них память, создавать специальные дочерние классы и т.д.

Но это второе решение имеет свой недостаток. Размер используемых классом узлов всегда будет равен 8 байтам - по 4 байта для указателя и данных.

-------

Обратите внимание, что в приведенных выше рассуждениях считается, что размер указателей составляет 4 байта. Можно предположить, что последующие версии Delphi будут написаны для 64-разрядных операционных систем. В таком случае длина указателей будет составлять 8 байт. Поэтому не основывайтесь на предположении, что длина указателя всегда 4 байта, пользуйтесь функцией sizeof(pointer). В будущем это существенно упростит перенос кода в новые версии Delphi. Тем не менее, в настоящей главе считается, что длина указателя составляет 4 байта, даже несмотря на то, что в коде используется sizeof(pointer). Такое допущение позволяет упростить выкладки, поскольку можно просто сказать "8 байт", а не "удвоенное значение sizeof(pointer)".

-------

Что дает нам постоянный размер узла? При необходимости записи данных в связный список нужно предварительно распределить память под узел. Для этого пришлось бы использовать очень сложный диспетчер кучи Delphi, всего лишь, чтобы распределить 8 байт памяти. Диспетчер кучи содержит код, который может манипулировать кусками памяти, а также распределять и освобождать память любого размера. Все операции выполняются быстро и эффективно. Но мы знаем, что будут использоваться только 8-байтные блоки, и нам нужны только такие блоки. Можно ли, учитывая постоянство размеров блоков, увеличить скорость распределения памяти для новых узлов и освобождения памяти, занимаемой удаляемыми узлами? Конечно же, ответ "да". Мы с помощью диспетчера кучи одновременно распределяем память для нескольких узлов, а затем используем ее по мере необходимости. Таким образом, память распределяется не для одного узла, а, скажем, для 100 узлов. Если потребуется большее количество, будет выделен еще один блок из 100 узлов.

А вот теперь начинается самое интересное. Массивы узлов хранятся во внутреннем связном списке, а узлы, которые берутся из этих массивов, попадают в свободный список, который также представляет собой связный список. Таким образом, для увеличения эффективности работы класс связного списка будет использовать массивы и собственно связные списки.

Что в предыдущем абзаце понимается под понятием "свободный список"? Это общепринятая конструкция в программировании. у нас имеется набор некоторых элементов, которые "распределяются" и "освобождаются". При освобождении элемента он, скорее всего, в какой-то момент времени будет использоваться повторно поэтому вместо возвращения занимаемой элементом памяти поддерживается свободный список, т.е. список свободных элементов. Диспетчер кучи Delphi использует свободный список освобожденных блоков памяти различного размера. Многие базы данных поддерживают скрытый свободный список удаленных записей, которые можно использовать повторно. Массив записей, описанный в главе 2, использует цепочку удаленных записей, которая является ни чем иным, как другим названием свободного списка. При необходимости распределения памяти под элемент приложение обращается к свободному списку и выбирает один из свободных элементов.

Давайте разработаем диспетчер распределения узлов. Он будет содержать свободный список узлов, который вначале устанавливается равным nil, что означает, что список пуст. При распределении узла диспетчер будет просматривать свой свободный список. Если он пуст (равен nil), диспетчер распределяет большой блок памяти, обычно называемый страницей, при помощи диспетчера кучи Delphi. Затем станица разделяется на отдельные куски с размером, равным размеру узла, и куски записываются в свободный список. После этого узел извлекается из списка и передается пользователю. При освобождении узла он записывается в свободный список. Под "записью" здесь понимается вставка узла в начало списка, а под "извлечением" - считывание узла с начала списка.