抽象数据结构-C - 编程之家

如何解决抽象数据结构-C

假设我们有一个树数据结构：

#ifndef TREE_H
#define TREE_H

#include <stdarg.h>

typedef struct tree {
  char *tag;
  struct tree **children;
  int num_children;
} tree;

tree *leaf(char *tag);

tree *node(char *tag,int num_children,...);

#endif

以此，我们可以通过以下语法上令人愉悦的方式定义一棵树：

#include "tree.h"

int main() {

  tree *test =
        node("Tywin",2,node("Cersei",leaf("Joffrey"),leaf("Tommen")
            ),leaf("Tyrion")
        );
  return 0;
}

现在，我想到了实现此目标的两种可能方法。当我们定义节点和叶子时，我们可以复制所有数据，如下所示：

#include "tree.h"
#include <stdarg.h>
#include <stddef.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

tree *leaf(char *tag) {
  tree *res = malloc(sizeof(*res));
  size_t tag_length = strlen(tag) + 1;
  res->tag = malloc(tag_length * sizeof((*res->tag)));
  strcpy(res->tag,tag);
  res->children = NULL;
  res->num_children = 0;
  return res;
}

tree *node(char *tag,...) {
  tree *res = malloc(sizeof(*res));
  size_t tag_length = strlen(tag) + 1;
  res->tag = malloc(tag_length * sizeof((*res->tag)));
  strcpy(res->tag,tag);
  
  res->children = malloc(num_children * sizeof(*res->children));

  va_list ap;
  va_start(ap,num_children);
  tree *current_child;
  for (int i = 0; i < num_children; ++i) {
    *(res->children + i) = malloc(sizeof(**(res->children + i)));
    current_child = va_arg(ap,tree *);
    memcpy(*(res->children + i),current_child,sizeof(*current_child));
  }
  va_end(ap);
  res->num_children = num_children;
  return res;
}

但是，与此相关的是，node的中间调用（如创建Tyrion和Cersei的调用）会导致内存泄漏。另外，即使您可以某种方式清理泄漏，您分配的内存也可能比“应有”的更多。因此，除了复制指针之外，显然还有另一种选择：

#include "tree.h"
#include <stdarg.h>
#include <stddef.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

tree *leaf(char *tag) {
  tree *res = malloc(sizeof(*res));
  res->tag = tag;
  res->children = NULL;
  res->num_children = 0;
  return res;
}

tree *node(char *tag,...) {
  tree *res = malloc(sizeof(*res));
  res->tag = tag;
  
  res->children = malloc(num_children * sizeof(*res->children));

  va_list ap;
  va_start(ap,num_children);
  for (int i = 0; i < num_children; ++i) {
    *(res->children + i) = va_arg(ap,tree *);
  }
  va_end(ap);
  res->num_children = num_children;
  return res;
}

然后，您可以定义一个递归清除方法，该方法在完成后将调用您的顶级对象（例如，递归free并设置为NULL指针，因此如果是{{ 1}} d两次，就可以了。但是我对此的担心是，您希望用户以后不会更改基础数据，即不能保证此数据结构是不变的。

问题：

第二种方法是在C中定义抽象数据结构的规范方法吗？
我可以完全调整代码以提供某种不变性保证吗？

解决方法

您定义的内容可以称为“侵入式”数据结构，因为您将层次结构数据（children）和有效负载（tag）存储在每个tree实例中。几乎没有任何“规范”的方式来定义这种结构-定义通常取决于需求。一些教科书和开放库可能完全以此方式定义了发束，某些代码可能提供了自定义内存分配器，以使分配的节点在内存中保持彼此靠近。

考虑其他选项，最好将节点有效负载和实际层次结构数据分开。例如，如果您的树仅是（完整的）二叉树，则可以避免将节点的左/右兄弟索引存储在数组中，并且完全避免分配/指针。如果您需要不需太多节点插入/删除的k进制树，则可以查看LCRS tree representation来表示层次结构，并将与节点关联的所有数据（标签和其他内容）存储在单独的位置。

我的answer有一个关于看似相似的关于简单数据结构的问题。您可以看看它。

也就是说，您的表示形式（考虑到没有错误和正确的递归cleanup例程）在C语言中是有效的树表示形式。

在C中，您可以选择在修改树时锁定所有内容或应用“写时复制”策略。这再次取决于要求。您是否必须搜索树，是否经常更新结构或仅重新计算/重新分配节点数据？您是仅使用CPU在本地处理此数据，还是需要与GPU / DSP共享树或通过网络传输树？这些问题可以帮助您选择所需的表示形式和同步原语。否则，就没有一种“标准的”方法可以一次性使所有内容都是线程安全的/不可变的，并且一直使用。我可能会提出的一个建议是，使用LCRS时，您每次需要修改树结构时，都可以以“功能方式”编程并从旧的“计算”新的层次结构数组。