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如何用C++来编写链式结构？

异步社区官方博客

目标

11.1　概要

与Python类似，链式结构可在C++里实现许多数据结构，比如列表和树结构。我们在10.2节里了解到Python的引用和C++的指针本质上是相同的概念，因此要在C++里实现链式结构的话，你就需要使用动态内存以及指针。编写Python和C++链式结构类之间的主要区别是：是否需要为类编写析构函数、复制构造函数以及赋值运算符（或者像我们在10.4节里提到的那样，在C++中，你可以把复制构造函数和赋值运算符声明为私有的，但不去实现它们）。你的C++类还必须要显式地释放掉内存，而在Python里并不需要这么做。在阅读这一章之前，你需要完全理解我们在前面章节里讨论过的关于C++的内存分配和释放的底层细节，我们将在这一章里对动态内存相关的主题进行强化。

在使用Python的链式结构的时候，即使你设置了一个对错误的链接对象的引用，Python也并不会去阻止你编写这样的语义错误（比如，插入节点的时候，可能会弄混link指向下一个节点的链接，从而导致跳过了一个节点，或者把节点的link指向它自己或更早的节点，从而导致循环链式结构）。C++环境同样也不会自动捕获这些类型的语义错误。要找到这种类型的错误的最好的办法是广泛地测试你的代码。但是，Python也还是会捕获一些C++编译器和运行时环境可能不会捕获的错误。比如，Python不允许你使用名称来访问还没有指向有效对象的引用上的数据（例如，尚未定义或者值为None的名称）。如果名称node引用的是None，那么在当你尝试执行node.link或者node.item的时候，Python解释器将会始终捕获这个问题，并且在你没有捕获这个异常的时候，产生相应的异常以及回溯执行堆栈。在C++里，如果你尝试解引用一个还没有初始化的指针或者是引用一个已经被释放的对象的指针的话，那么运行时环境将会继续尝试访问这个内存位置，从而导致获取到垃圾数据，或者是内存故障从而导致程序崩溃。这部分内容我们在前一章里已经讨论过了。

C++并不允许你直接将一种类型的指针分配给另一个不同类型的指针（比如说，如果x是指向int的指针而y是指向double的指针，那么你不能写y = x这样的代码）。你可以使用reinterpret_cast把一种类型的指针转换成另一种类型（它的语法类似于8.9节里讨论的static_cast），但它并不是被用来做这件事情的，而且reinterpret_cast也并不是那么常用。C++编译器会去检查数据类型是否匹配，但C++的运行时环境则不会去检查指针实际上所指向的有效内存位置是不是包含这个类型的值。当你解引用一个没有指向有效内存位置的指针的时候，你的程序有可能会崩溃，就算这个程序可能能够继续运行，你的程序结果也并不正确，就像我们在10.5节里讨论的那样。

在本章后面你将会看到，C++里的链式结构的代码并不会比Python版本的代码长。通常来说，你都可以把Python链式结构的代码逐行转换为C++代码。但是，从头开始编写C++动态内存和链式结构的代码将会比编写Python的链式结构更困难，这是因为Python会阻止某些类型的错误的产生，从而可以更容易地查找和修复其他类型的错误。在我们讨论了C++里的链式结构的一些其他问题之后，我们将把我们的Python链式结构的一个例子翻译成C++版本。

11.2　C++链式结构的类

在Python里，我们使用了一个包含两个数据元素的ListNode类，它们分别是数据值和对链表里下一个ListNode的引用。我们可以在C++里使用相同的技术来保存数据元素以及指向链表里下一个节点的指针。C++版本和Python版本之间的一个显著区别是：C++的ListNode类只能包含一种类型的元素（在我们的例子里用的是int）。这是因为所有的C++变量都必须有一个确定的类型。我们将在第12章里学习模板相关的知识，它们将能够让我们编写一个可以容纳任何类型的ListNode类。下面是C++的ListNode类的一个简单例子，我们将在这一节的后面部分对它进行扩展：

class ListNode {
public:
  int item_;
  ListNode *link_;
};

对于初学者来说，一个容易犯的简单错误是会忘记在link_实例变量前面加上代表指针的星号。你的C++编译器会要求一定要加上这个星号，是因为你在ListNode的定义里又包含了ListNode。而因为每一个ListNode都包含一个ListNode作为其数据成员，所以在本质上这也就是一种无限递归，会让ListNode消耗掉无穷无尽的内存。我们在前面提到过，因为指针需要存储某个类型的对象的地址，而不是实际对象，所以指向任何数据类型的指针在32位系统上都需要4字节。也就是说，除了需要存储的数据所需要的类型相关的内存大小之外，ListNode还需要额外的4字节来存储这个指针。

通常我们不会在C++的类里把实例变量写成公有的。但就像我们在实现Python的ListNode类的时候所讨论的那样，允许这个类的客户端直接访问这些实例变量在这里是有意义的。这是因为ListNode类只能由另一个需要直接使用这些数据元素和链接的类来进行访问（在Python的例子里是LList类）。当然，另一种办法是把LList类定义为ListNode类的友元。在9.4节里，我们为Rational类编写输入和输出操作符的时候，就提到过把函数声明为友元的相关部分。就像我们在那个部分里提到的那样，你还可以把一个类也声明为友元。下面这个新版本的ListNode类就展示了这个方法，而且它还包含了一个构造函数，因此我们可以像在Python里使用ListNode类那样去使用这个类：

#ifndef _LISTNODE_H
#define _LISTNODE_H

#include <cstdlib>

class ListNode {
  friend class LList;

public:
  ListNode(int item = 0, ListNode* link = NULL);

private:
  int item_;
  ListNode *link_;
};

inline ListNode::ListNode(int item, ListNode *link)
{
  item_ = item;
  link_ = link;
}

#endif // _LISTNODE_H

ListNode的构造函数将能够让我们使用零个、一个或者是两个参数来调用构造函数。我们为int类型的参数提供了默认值零，这样我们就可以得到一个不需要任何参数的默认构造函数。link参数的默认值是NULL。和Python的None值的判断结果为false一样，NULL值（其实也就是零）的判断结果也是false，所以我们可以通过它来检查尚未初始化或者是无效的指针。因此，我们可以编写像是if (node != NULL)或者它的简写版本if (node)这样的代码来检查有效指针，因为NULL会被判断为false，而对于任何有效指针地址的判断结果则会是true。我们在Python的章节里讨论过了在代码里使用is运算符的链式结构，比如说：if node is not None是在Python里执行这种判断的最好方法。但是在C++里并没有is运算符，因此我们会使用if (node)或if (node != NULL)来进行判断。就C++的性能而言，这两个语句并没有任何的区别。为了方便阅读，一些程序员会更喜欢写成if (node != NULL)，但是大多数程序员都会使用简写if (node)。

由于构造函数只有两行，因此我们把它定义成了内联函数，从而避免函数调用的额外开销。可以看到，我们遵循了在实例变量名称后添加下划线的约定。这样做除了有下划线这部分不同，实例变量和形参使用的是相同的名称。

由于C++为实例成员提供了显式的保护，因此我们在ListNode类里可以使用这一特性，把item和link声明为私有的实例变量，同时也让LList类成为ListNode类的友元。在这个时候，编译器并不知道会有一个LList类，因为在这个文件里并没有对它添加引用。我们并不能在这个头文件里包含LList.h文件，这是因为LList.h文件需要包含这个头文件（不然的话，我们就会有一个循环引用）。为了表明将会有一个名叫LList的类，我们可以把代码行class LList;放在class ListNode {行之前。这样的做法被称为前向声明（forward declaration），但即使不是全部，大多数编译器在声明友元的时候都不需要前向声明。当然，还有一个选择是像我们一开始那样在公有的部分声明实例变量，但是这样会像Python里那样让任何类都能够访问它们。

回想一下10.2节的Rational类的例子。在那个例子里，我们不能解引用指针，而且由于优先级问题，也不能使用没有括号的点运算符。那个时候我们提到了常见的用法是使用->。但是，像下面这个例子展示的那样，有两种正确的方法都可以完成这一功能：

ListNode *node;
node = new ListNode(2); // item parameter is required
node->item_ = 3;        // this is correct
*node.item_ = 3;        // this is not correct
(*node).item_ = 3;      // this is correct

11.3　C++链表

通过我们的C++的ListNode类，我们可以创建出一个列表的链式实现，就像我们在第4章里用Python所做的那样。在那个时候，我们用和内置Python列表相同的API编写了列表的链式实现。在这一节里，我们将编写一个列表的链式实现的C++版本，这个列表也会和内置的Python列表的API相匹配。这个版本的语法将会有所不同，要处理的唯一的语义差异是：在从列表里删除元素的时候，我们需要显式地释放ListNode实例；而Python则是通过实例的引用计数机制来自动处理这个过程。就像我们在第10章里对动态内存类所做的那样，我们必须要编写一个析构函数来进行最终的内存释放。而且，就像你需要对任何分配了动态内存的实例变量都会做的那样，你还需要编写复制构造函数和赋值运算符（operator=），或者阻止它们被调用。你可以通过在private部分里声明复制构造函数和赋值运算符来阻止它们被使用。当你把方法声明为private之后，你就不需要为它们提供实现了。如果没有私有方法的实现，那么在调用方法的时候，编译器就会生成错误。下面这个LList.h头文件向我们展示了我们需要去实现的LList类的接口：

#ifndef _LLIST_H
#define _LLIST_H

#include "ListNode.h"

class LList {

public:
  LList();
  LList(const LList& source);
  ~LList();

  LList& operator=(const LList& source);
  int size() { return size_; }
  void append(const ItemType &x);
  void insert(int i, const ItemType &x);
  ItemType pop(int i=-1);
  ItemType& operator[](int position);

private:
  // methods
  void copy(const LList &source);
  void dealloc();
  ListNode* _find(int position);
  ItemType _delete(int position);

  // data elements
  ListNode *head_;
  int size_;
};

#endif // _LLIST_H

你可能已经注意到了，在这里我们有着比LList类的Python实现更多的方法。这是因为我们需要能够正确地分配和释放内存。而且，由于复制构造函数和赋值运算符共享一部分功能，我们也就声明了可以被两个方法都调用的私有的copy方法。析构函数和赋值运算符也共享着一部分功能，因此我们声明了dealloc方法来让这两个方法调用。

我们的ListNode和LList类的一个缺点是它们只能使用一种数据类型（在我们的例子里是整数）。到目前为止，我们将渐进式地改进这一点，并且会使用C/C++的关键字typedef。这个关键字能够让我们定义新的类型名称。在下面的例子里，我们创建了一个叫作ItemType的类型，它现在是int的同义词。接下来，我们可以更新我们的ListNode和LList类，从而在和列表里存储的值相应的位置使用ItemType类型而不是int类型。可以看到，我们并没有把所有int类型出现的地方都改成ItemType类型。因为，不管是什么数据类型，LList的大小都是一个整数。现在，如果我们想要创建一个可以包含不同类型的LList的话，比如说double或者是Rational，我们只需要修改ListNode.h文件里的那个typedef行就行了（如果它不是内置类型的话，还需要包含相对应的头文件）。

typedef语句并不允许我们在同一个程序里去存储不同的类型。因此，在一个程序里的每个ListNode都必须使用我们用typedef命令所指定的那个类型。也就是说，因为程序中只能包含有一个名为LList的类和一个名为ListNode的类，所以一个程序只能有一个类型的LList。我们也可以复制这部分代码并创建一批像ListNodeInt/LListInt以及ListNodeDouble/LListDouble这样的类，并且修改每个文件里的typedef行，这样也就可以在一个程序里简单重用现有的代码来实现不同的功能了。在第12章，我们将讨论模板，模板将能够让我们在一个程序里，在不需要为每一种类型都复制一个类文件的情况下，包含不同类型的列表。在这里，使用typedef语句可以让我们在之后更容易地将这个程序转换成基于模板的版本。下面的代码是包含typedef版本的ListNode和LList类头文件：

// ListNode.h
#ifndef _LISTNODE_H
#define _LISTNODE_H

#include <cstdlib>
typedef int ItemType;

class ListNode {
  friend class LList;
public:
  ListNode(ItemType item, ListNode* link = NULL);
private:
  ItemType item_;
  ListNode *link_;
};
inline ListNode::ListNode(ItemType item, ListNode *link)
{
  item_ = item;
  link_ = link;
}
#endif // _LISTNODE_H

// LList.h
#ifndef _LLIST_H
#define _LLIST_H

#include "ListNode.h"

class LList {
public:
  LList();
  LList(const LList & source);
  ~LList();

  LList& operator=(const LList& source);
  int size() { return size_; }
  void append(ItemType x);
  void insert(size_t i, ItemType x);
  ItemType pop(int i=-1);
  ItemType& operator[](size_t position);

private:
  // methods
  void copy(const LList&source);
  void dealloc();
  ListNode* _find(size_t position);
  ItemType _delete(size_t position);

  // data elements
  ListNode *head_;
  int size_;
};

#endif // _LLIST_H

接下来，让我们来看看LList类的C++的实现文件。我们将从和Python版本类似的方法开始。在研究了这些方法之后，我们将开始研究其他那些需要正确处理内存的方法。首先，我们的LList.cpp文件需要包含类定义的LList.h头文件。接下来，除了需要声明变量、使用指针、从列表里删除节点的时候需要释放内存，以及一些Python和C++之间的其他语法差异，LList方法和相应的Python版本的方法应该是相同的。下面的例子里，我们都会包含Python版本的代码，以及和它对应的C++版本的构造函数、_find、_delete、insert以及pop方法，从而让你可以更方便地比较它们。在Python版本里，我们删除了一些assert语句、文档字符串以及注释，使得代码更短。

构造函数的作用是初始化实例变量。我们将对指针变量使用NULL值来表示它没有指向任何有效节点。因为我们只有两个实例变量来初始化LList类，所以默认构造函数会非常简单：

    def __init__(self):
        self.head = None
        self.size = 0

// LList.cpp
#include "LList.h"

LList::LList()
{
  head_ = NULL;
  size_ = 0;
}

除了很明显的语法差异之外，_find方法的代码是基本相同的：

    def _find(self, position):

        node = self.head
        for i in range(position):
            node = node.link
        return node

ListNode* LList::_find(size_t position)
{
  ListNode *node = head_;
  size_t i;

  for (i = 0; i < position; i++) {
    node = node->link_;
  }
  return node;
}

_delete方法会有一些差异，这是因为我们需要从列表里删除一个元素。在C++的版本里，我们必须要使用delete语句来释放与需要删除的ListNode实例相应的内存：

    def _delete(self, position):
        if position == 0:
            item = self.head.item
            self.head = self.head.link
        else:
            node = self._find(position - 1)
            item = node.link.item
            node.link = node.link.link
        self.size -= 1
        return item

ItemTypeLList::_delete(size_t position)
{
  ListNode *node, *dnode;
  ItemType item;

  if (position == 0) {
    dnode = head_;
    head_ = head_->link_;
    item = dnode->item_;
    delete dnode;
  }
  else {
    node = _find(position - 1);
    if (node != NULL) {
      dnode = node->link_;
      node->link_ = dnode->link_;
      item = dnode->item_;
      delete dnode;
    }
  }
  size_ -= 1;
  return item;
}

Python里其实也有一个叫作del的语句，它可以从可访问的名称字典里删除标识符来在当前名称空间里删除名称（如果你需要回顾一下关于Python的名称字典的相关知识的话，可以参阅4.2节）。就像你知道的那样，当你删除一个名称的时候，名称所引用的对象的引用计数将会减1。当对象的引用计数减少到零的时候，Python就会释放这个对象的内存。下面这个Python版本的代码显示了del语句的用法：

    def _delete(self, position):
        if position == 0:
            dnode = self.head
            self.head = self.head.link
            x = dnode.item
            del dnode # not necessary in Python
        else:
            node = self._find(position - 1)
            if node is not None:
                dnode = node.link
                node.link = dnode.link
                x = dnode.item
                del dnode # not necessary in Python
        self.size -= 1
        return x

就像注释里说的那样，del语句并不是必需的；但是，用了它也不会造成任何问题。除非在调用_delete方法的函数/方法的调用链里还有另一个Python的名称引用着名称dnode，不然的话它应该是唯一一个引用这个对象的名称。这是因为：只要没有其他的名称在引用这个对象的话，那么del语句就会把ListNode对象的引用计数减少到零，然后Python会释放这个对象；或者，如果不用del语句的话，那么在函数结束并且从本地名称字典中删除dnode名称的时候，引用计数也将被减少到零。在我们最早的Python版本里，被删除的ListNode对象的引用计数会在语句self.head = self.head.link或者语句node.link = node.link.link之后减少，所以原始版本和带有del语句的新版本具有相同的最终结果。

虽然Python的del和C++的delete关键字在这个例子里看起来完成了相似的工作，而且工作方式非常相似，但它们原理上并不会执行相同的操作。Python的del语句是从当前命名空间里删除一个名称，而C++的delete语句则会释放内存。在这个例子里，我们必须要用C++的delete语句，不然代码将会出现内存泄漏。应该注意到的一个关键概念是：delete语句会为对象释放内存，而不管是否有其他的指针变量指向同一个对象。如果还有任何其他的指针指向这个对象的话，那么在执行delete语句之后，解引用这些指针就会产生错误。我们在10.5.3小节里已经讨论过了这个问题。

Python程序员在学习C++的时候经常犯的一个错误是：会忘记在想要分配节点的时候使用new关键字（也就是，他们会写成node-> link_ = ListNode(x)）。如果忘记new语句的话，编译器将会生成错误。当你想要分配一个节点的时候，就需要使用new语句；而当你想要释放一个节点的时候，就应该使用delete语句。Python里的内存分配是类似的：当你想要分配节点的时候，只需要调用构造函数（例如，node = ListNode(x)）。接下来我们可以看到，append和insert方法在Python里和C++里是基本相同的：

    def append(self, x):

        newNode = ListNode(x)
        if self.head is not None:
            node = self._find(self.size - 1)
            node.link = newNode
        else:
            self.head = newNode
        self.size += 1

void LList::append(ItemType x)
{
  ListNode *node, *newNode = new ListNode(x);

  if (head_ != NULL) {
    node = _find(size_ - 1);
    node->link_ = newNode;
  }
  else {
    head_ = newNode;
  }
  size_ += 1;
}

    def insert(self, i, x):

        if i == 0:
            self.head = ListNode(x, self.head)
        else:
            node = self._find(i - 1)
            node.link = ListNode(x, node.link)
        self.size += 1

void LList::insert(size_t i, ItemType x)
{
  ListNode *node;

  if (i == 0) {
    head_ = new ListNode(x, head_);
  }
  else {
    node = _find(i - 1);
    node->link_ = new ListNode(x, node->link_);
  }
  size_ += 1;
}

pop方法会有些不同，因为在Python里，我们会通过使用默认的参数值None来表示我们想要删除的列表里的最后一项元素。但是，因为C++没有动态类型以及None这样的特殊值，所以我们必须要使用一个特定的整数来表示默认值。在这里，我们选择用数字-1来表示我们将要删除最后一项。除了这个区别之外，pop方法在两个语言里是相同的。当然，我们在这里还是忽略了测试参数i是否在0～size_ - 1范围内： 

    def pop(self, i = None):

        if i is None:
            i = self.size - 1

        return self._delete(i)

ItemType LList::pop(int i)
{
  if (i == -1) {
    i = size_ - 1;
  }
  return _delete(i);
}

为了能够像我们在使用Python序列和C++数组那样，使用方括号来访问列表的元素，我们需要使用运算符重载。下面这个例子还展示了在C++里应该使用的引用返回类型。这让我们只需要在一个方法里就可以编写出Python的__getitem__和__setitem__方法。在这里只包含了Python的__getitem__方法来进行比较：

    def __getitem__(self, position):

        node = self._find(position)
        return node.item

ItemType& LList::operator[](size_t position)
{
  ListNode *node;

  node = _find(position);
  return node->item_;
}

在下一个例子中，我们展示了这个方法的用法。如果返回类型不是引用的话，那么语句x = a[1]是可以起作用的。但是因为没有返回引用，所以语句a[2] = 40将不能正常工作。和Python一样，赋值语句左侧的元素必须是一个可以用来存储值的地方。计算机科学里对这种地方所使用的技术术语是左值（l-value）。同时，赋值语句右侧的元素可以是变量、常量或者是表达式。返回引用相当于返回了第二个ListNode里的item_的内存位置。当在赋值运算符的左侧使用返回的引用类型的时候，赋值语句的结果（语句右侧的表达式的值）将会被存储在由方法或者函数返回的变量的内存位置里。当在右侧使用引用返回类型或者把它作为表达式的一部分的时候，赋值语句将会使用实际数据值而不是返回的变量的内存地址。我们曾经在10.4.5小节里讨论过了返回引用的一些常见问题。

#include "LList.h"

int main()
{
  LList a;
  int x;

  a.append(10);
  a.append(20);
  a.append(30);

  // both of these methods cause the operator[] method to be called
  x = a[1];  // returns 20 which is stored in x
  a[2] = 40; // changes the 30 at the last ListNode’s item to 40

  return 0;
}

我们现在再去看看那些需要处理链表的动态内存的其他方法。由于Python会自动地处理内存释放，因此在Python的代码里没有相应的代码来和这些方法的C++版本进行比较。复制构造函数被用来生成LList对象的深拷贝，它需要为它正在复制的原始源LList里的每一个现有的ListNode实例都创建一个新的ListNode实例。我们提到过，当按值传递这个类型的对象的时候，将会调用复制构造函数。同样地，因为我们也需要在赋值运算符里复制整个列表，所以我们会编写一个让这两个方法都可以调用的copy方法。我们会通过遍历源列表里的所有ListNode对象，并且在这个循环里为新列表创建一系列新的ListNode对象，并恰当地连接link_链接，来创建一个深拷贝。要更简单地编写这个copy方法的话，我们还可以通过迭代所有元素并且使用append方法将它们添加到新的LList对象里去。但是如果没有tail_实例变量来代表列表尾部的话，这样做的效率是不高的。

我们之前说过，在Python里是不用编写赋值运算符的，这是因为Python里的赋值只会把另一个名称绑定到同一个对象上（也就是使这个名称成为对同一个对象的引用）。C++的赋值运算符则需要首先释放存储元素的现有ListNode对象，不然的话我们的代码就会发生内存泄漏。我们将会调用dealloc方法来释放现有的ListNode对象。下面的例子将会展现这些内容：

LList::LList(const LList& source)
{
  copy(source);
}

void LList::copy(const LList &source)
{
  ListNode *snode, *node;

  snode = source.head_;
  if (snode) {
    node = head_ = new ListNode(snode->item_);
    snode = snode->link_;
  }
  else {
    head_ = NULL;
  }
  while (snode) {
    node->link_ = new ListNode(snode->item_);
    node = node->link_;
    snode = snode->link_;
  }
  size_ = source.size_;
}

LList & LList::operator=(const LList& source)
{
  if (this != &source) {
    dealloc();
    copy(source);
  }
  return *this;
}

类的析构函数需要释放掉当前列表里的每个ListNode对象，这是因为这些对象是还没有被释放掉的ListNode实例。这样做能够确保每当LList对象被释放的时候，任何动态分配的内存都会被释放。提醒一下，析构函数会在非指针实例超出作用域，或者是对指向LList对象的指针调用了delete语句之后，被自动调用。由于我们也会在赋值运算符里去释放ListNode实例，因此我们会用一个dealloc方法来包含这些逻辑，并让赋值运算符和析构函数都去调用它。我们可以通过重复地调用pop方法或者是使用_delete方法来为我们的dealloc方法编写代码，因为它们都会从列表里一次删除一个元素。但考虑到效率因素，我们将直接实现相关的逻辑。代码将会遍历每一个ListNode并且使用delete语句来释放它的内存。要注意的是，在释放当前ListNode之前，我们必须前进到下一个ListNode里去。因为一旦我们释放了一个ListNode，我们就再也不能去访问它了，也就会导致我们没有办法找到下一个节点。因为我们在执行列表操作的时候，会经常需要访问当前节点和这个节点之前的那个节点，所以通过两个指针来跟踪——一个用于当前节点，一个用于前一个节点——是单链式结构里常见的使用技术：

LList::~LList()
{
  dealloc();
}

void LList::dealloc()
{
  ListNode *node, *dnode;

  node = head_;
  while (node) {
    dnode = node;
    node = node->link_;
    delete dnode;
  }
}

当你查看这些方法的代码的时候，你可能会想要知道我们是如何确定每个new语句都有一个相应的delete语句，从而释放掉由new语句分配的ListNode对象的内存的。我们将会使用下面这个简单的程序来讨论它。在阅读下面这段代码之后的段落前，先尝试看你能不能去确定这段代码一共执行了多少个new和delete语句，以及它们分别是在什么时候被执行的：

#include "LList.h"
int main()
{
  LList b, c;
  int x;

  b.append(1);
  b.append(2);
  b.append(3);
  c.append(4);
  c.append(5);
  c = b;
  x = b.pop();
}

每个变量都会调用一次构造函数，但这不会执行任何new或delete语句。对append方法的5次调用将会导致执行5次new语句。c = b语句会执行两次delete语句，这是因为operator=会调用dealloc方法，而且实例c会删除掉包含4和5的ListNode对象。然后这一步会调用copy方法来执行3个new语句，所以到目前为止，我们一共有6个ListNode对象：变量b有3个ListNode对象，包含数字1、2和3；变量c也有3个ListNode对象，包含1、2和3。语句x = b.pop()会执行delete语句来释放LList的对象b里包含3的ListNode对象。当函数结束的时候，LList的析构函数会自动被调用两次：一次是给变量b的，一次是给变量c的。当调用b的析构函数的时候，它会调用dealloc方法来删除包含1和2的ListNode对象。当调用c的析构函数的时候，它会删除包含1、2和3的3个ListNode对象。

图11.1所示的图形向我们展示了上面那个例子在两个时间点的执行情况。上面部分展示的是语句c = b之前的情况，下面部分则显示了在程序结束之后的情况。在这里我们用从1 000开始的内存地址来作为堆栈动态变量，同时动态堆从2 000开始。我们使用的内存地址可以是在内存里的任何位置。从这个例子可以看到，我们在operator=方法里调用了dealloc方法去释放了一些内存之后，又重用了一些内存地址。就像之前提到过的那样，实际使用的内存地址会有所不同，内存地址可能会在被释放之后立即被重复使用，也可能并不会被立即使用。

..\19-0765 改图\1101.tif{76%}

图11.1　LList例子的图形表示

我们通过向列表里添加元素的方法来分配ListNode对象，以及从列表里删除元素的方法去释放ListNode对象。因此，只要所有的方法都是正确的实现，ListNode对象将始终保持链接在一起。当LList实例的变量超出作用域的时候，LList里任何剩余的ListNode对象都会被释放。同时我们也必须正确地去实现赋值运算符、复制构造函数以及析构函数，从而确保在使用这些方法的时候，能够正确地分配和释放所有的ListNode对象。我们也提到过，还有另一种选择是把赋值运算符和复制构造函数都声明为私有方法，并且不去实现它们。这将会阻止编译器为它们生成任何默认代码，于是，当有其他代码尝试调用它们的时候，编译器就会生成语法错误。

在什么时候指针会调用析构函数？作为对这个问题的提醒，我们将通过下面这个例子来讨论析构函数是在什么时候被调用的：

LList* f()
{
  LList b;
  LList *c;

  b.append(1);
  c = new LList;
  c->append(2);
  return c; // the function returns a pointer to an LList instance
  // destructor is automatically called for b when the function ends
}

int main()
{
  LList *p;

  p = f();
  p->append(3);
  delete p; // delete statement causes destructor to be called
}

变量b的析构函数会在函数f的末尾被调用，这是因为b只是一个局部变量，它的生命周期在函数完成执行的时候就结束了。这也代表着，包含值1的ListNode对象也会被释放。变量c在函数f的末尾的时候超出了作用域，但是由于它是一个指针变量，因此只会释放存储LList对象地址的这4字节。包含值2的ListNode的LList对象将会继续存在。而且，当函数结束的时候，并不会为变量c调用析构函数。如果我们想在函数f里调用析构函数的话，就需要在函数的代码体里添加语句delete c来强制执行它。函数f将会返回由c = new LList语句创建的LList对象。然后main函数会把整数3添加到这个列表里去。而当执行delete p语句的时候，就会调用LList的析构函数。这个时候，就会把由函数f里的c = new LList语句所创建的LList对象释放掉。析构函数也同时会释放它所包含的两个ListNode对象。当函数完成之后，指针p的4字节也将会被自动释放，所有的本地堆栈动态变量的字节也是同样的操作。

11.4　C++链接的动态内存错误

我们在10.5节里讨论过关于动态内存的相关问题，也同样适用于使用动态内存的链式结构，因此再去看一看这部分内容是一个很好的主意。如果你有一个ListNode变量*node的话，你需要记得node->item_和node->link_都是解引用指针。因此，如果node没有保存一个关于ListNode的有效地址的话，那么这些语句都是不正确的，可能会导致程序崩溃或者是产生不正确的结果。如果我们在链接ListNode实例的时候错误地更新了link_实例变量的话，那么我们就会丢失掉对列表的一部分的访问权限。下面这段代码是一个把我们的insert方法改成这种错误的例子：

// this code is incorrect
void LList::insert(size_t i, ItemType x)
{
  ListNode *node;

  if (i == 0) {
    head_ = new ListNode(x, head_);
  }
  else {
    node = _find(i - 1);
    node->link_ = new ListNode(x); // incorrect
  }
  size_ += 1;
}

基于这段代码，新创建的ListNode实例的link_实例变量将会被设置为NULL，因为这是构造函数第二个参数的默认值。而这就会无法访问在新插入的节点之后的那些元素，也就是断开了我们的列表。在C++里，我们将没办法再去访问列表的一部分从而会导致内存泄漏，因此完整地测试C++代码，确保没有内存错误是非常重要的。而在Python里，类似的代码会断开我们的列表，但并不会有内存泄漏，这是因为Python使用了引用计数来进行自己的内存释放管理。

11.5　小结

这一章我们介绍了如何使用指针和动态内存在C++里实现链式结构的相关问题。我们在这里总结了一些重要部分。

本文摘自《数据结构和算法（Python和C++语言描述）》

本书使用Python和C++两种编程语言来介绍数据结构。Python的面向对象特性， 让它成为一种非常适合用来学习数据结构课程的语言。C++的语法比Python更复杂，但是在学习了Python并掌握了基本的编程概念之后，学习C++的语法变得更为容易。
本书首先介绍了抽象与算法分析、数据的抽象等数据结构的基本原理和知识， 然后结合Python的特点介绍了容器类、链式结构和迭代器、堆栈和队列、递归、树；随后，简单介绍了C++语言的知识，并进一步讲解了C++类、C++的动态内存、C++的链式结构、C++模板、堆、平衡树和散列表、图等内容；最后对算法技术进行了总结。每章末尾给出了一些练习题和编程练习，帮助读者复习巩固所学的知识。

本书适合作为高等院校计算机相关专业数据结构课程的教材和参考书，也适合对数据结构感兴趣的读者学习参考。

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