golang泛型实现——双向循环链表

2022-05-28 本文已影响0人 guonaihong

一、写在前面

标准库的双向循环链表实现是基于interface{}的，性能一般。为了提升性能，本文基于泛型语法实现一个比标准库更快的链表写法（主要包括双向循环链表的插入和删除的核心操作）。

二、什么是链表

链表用于存储逻辑关系为 "一对一" 的数据，与数组不一样，不要求存储地址是连续的。

三、链表的分类

链表根据指针的指向分为 单向链表 和 双向链表 。
- 单向链表：通常使用Next指针
```
type Node[T any] struct {
    next    *Node[T]
    Element T
}
```
- 双向链表：通常使用Next、Prev两个指针.
```
type Node[T any] struct {
    next    *Node[T]
    prev    *Node[T]
    Element T
}
```
链表根据是否循环, 又分为
- 单向循环链表
- 双向循环链表
- 单向链表
- 双向链表

四、双向循环链表的实现

下面主要介绍在工程上用得比较多的双向循环链表（将双向链表的头结点和尾结点链接起来构成循环的链表）的实现。

4.1 双向循环链表的表头定义和初始化函数

循环链表和普通的双向链表最大的区别是初始化的时候root.prev和root.next要指向root节点自己。

说明：

这是一个递归定义,可以试着打印root.prev，root.prev.prev或者root.next，root.next.next的地址看看。

root节点地址


// 每个Node节点, 包含前向和后向两个指针和数据域
type Node[T any] struct {
    next    *Node[T]
    prev    *Node[T]
    Element T
}

// 返回一个双向循环链表
func New[T any]() *LinkedList[T] {
    return new(LinkedList[T]).Init()
}

// 指向自己, 组成一个环
func (l *LinkedList[T]) Init() *LinkedList[T] {
    l.root.next = &l.root
    l.root.prev = &l.root
    l.length = 0
    return l
}

4.2 插入节点的图示

在root节点，如何指向最后一个元素呢? 就是root.prev，下图展示双向循环链表插入节点的过程。

e是待插入节点
at是完成插入动作之后e节点前面的一个节点

// at e at.next
// at <- e
//       e -> at.next
// at -> e
//       e <- at.next
func (l *LinkedList[T]) insert(at, e *Node[T]) {
    e.prev = at
    e.next = at.next
    e.next.prev = e
    at.next = e
    l.length++
}

4.2.1 插入节点之前的状态

插入节点之前的状态

4.2.2 修改e节点的prev指针

修改e节点的prev指针

4.2.3 修改e节点的next指针

修改e节点的next指针

4.2.4 修改e.next.prev指针

修改e.next.prev指针

4.2.5 修改at指针的next指针

即，修改2元素的next指针。

修改at指针的next指针

4.3 删除节点的图示

删除某个节点，是把这个节点的前面一个节点和后面一个节点搭上关系。
令n为待删除节点


// 删除这个元素
// n.prev n n.next
// n.prev --> n.next
// n.prev <-- n.next
func (l *LinkedList[T]) remove(n *Node[T]) {
    n.prev.next = n.next
    n.next.prev = n.prev
    n.prev = nil
    n.next = nil
    l.length--
}

4.3.1 删除节点之前的状态

删除节点之前的状态

4.3.2 修改n节点的前一个节点的next指针

即，n.prev.next = n.next

修改n节点的前一个节点的next指针

4.3.3 修改n节点的后一个节点的prev指针

即，下图为删除节点之后的状态。

修改n节点的后一个节点的prev指针

五、性能压测

stdlib是目前标准库内置的双向循环链表, gstl是本文中提到的双向循环链表实现。benchmark逻辑是对两种链表的尾部节点添加数据，其中本文实现链表(gstl)性能相比标准库快一倍有余。

goos: darwin
goarch: amd64
pkg: github.com/guonaihong/gstl/linkedlist
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-1068NG7 CPU @ 2.30GHz
Benchmark_ListAdd_Stdlib-8       5918479           190.0 ns/op
Benchmark_ListAdd_gstl-8        15942064            83.15 ns/op
PASS
ok      github.com/guonaihong/gstl/linkedlist   3.157s

六、完整的源代码

双向循环链表的操作除了上文提到的插入、删除外，还有表与表的合并、分割、获取某个index的值等等，实现时可以先在纸上画图，再写代码。如果还有疑问可以参考如下链接中的源码：https://github.com/guonaihong/gstl/tree/master/linkedlist