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creat和destory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creat和destory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create和destroy函数意义：

为静态单链表StaticLinkList的实现做准备，StaticLinkList与LinkList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。