C++ 集合数据结构Set
数据结构是一个容器,用于将一些数据组织到单个对象中。我们已经见过了几个数据结构,比如apstring是一些字符组成,而apvector是一组相同类型(可以是任意数据类型)的元素组成。
有序集是由一些项组成的集合,它有两个决定性的属性:
有序性:集合中的元素都有一个相应的索引。我们可以通过这些索引确定集合中的元素。
唯一性:集合中每个元素只能出现一次。向集合中添加一个已经存在的元素是没有效果的。
此外,我们实现的有序集还有下面一个属性:
大小任意:随着我们向集合中添加元素,它会扩充以容纳新元素。apstring和apvector都是有序的;每个元素都有一个索引,我们可以通过索引来确定元素。但是我们见到的数据结构都不具有唯一性和大小任意这两个属性。
要满足唯一性,我们编写的add函数必须先查找以确定集合中是否存在要添加的元素。集合随着添加元素扩张这一特点可以利用apvector的resize函数实现。
下面是Set类定义的开始部分:
class Set {
private:
apvector<apstring> elements;
int numElements;
public:
Set (int n);
int getNumElements () const;
apstring getElement (int i) const;
int find (const apstring& s) const;
int add (const apstring& s);
};
Set::Set (int n)
{
apvector<apstring> temp (n);
elements = temp;
numElements = 0;
}
实例变量包括字符串的向量和记录集合中有多少元素的整型数。一定要记住集合中的元素数numElement与apvector的大小不是一个东西。通常前者会小一些。
Set的构造函数接受一个参数,该参数是apvector的初始大小。元素个数初始值总是0。
getNumElements和getElement是私有实例变量的访问函数。 numElements是只读变量,所以我们只提供了get函数而没有提供set函数。
int Set::getNumElements () const
{
return numElements;
}
为什么我们必须阻止客户程序修改getNumElements呢? 因为这是该类型的不变式,客户程序怎么能破坏不变式呢。我们看下Set其余的成员函数,看你能否说服自己它们都维护了不变式。
当我们使用[]操作符访问apvector时,它会检查并确认索引值大于等于0且小于向量的长度。不过要访问集合的元素,我们需要更强的条件验证。index必须小于元素数,元素数可能是个比向量长度小的值。
apstring Set::getElement (int i) const
{
if (i < numElements) {
return elements[i];
} else {
cout << "Set index out of range." << endl;
exit (1);
}
}
如果getElement得到的索引值超出了范围,它会打印错误信息(我承认,并不是最有用的信息)后退出。 find和add是比较有趣的函数。到目前为止,遍历和查找的模式还是老样子:
int Set::find (const apstring& s) const
{
for (int i=0; i<numElements; i++) {
if (elements[i] == s) return i;
}
return -1;
}
现在就剩下add了。像add这样的函数的返回类型一般是void,不过在这个例子中,更有意义的可能是返回元素的索引。
int Set::add (const apstring& s)
{
// 如果元素已经在集合中,返回其索引
int index = find (s);
if (index != -1) return index;
// 如果apvector满了,将它的大小调整为原来的2倍
if (numElements == elements.length()) {
elements.resize (elements.length() * 2);
}
// 添加新元素并返回其索引
index = numElements;
elements[index] = s;
numElements++;
return index;
}
这里有个技巧,numElements会以两种方式使用:其一就是表示集合中的元素数目,其二是用作下一个要添加的元素的索引。
可能要花点时间才能相信这行得通,但是考虑一下:当元素数目为0时,下一个要加入元素的索引也是0。当元素数目等于向量的长度时,这就说明向量已经满了,要加入新元素必须先通过resize分配更多的空间。
下面是一个Set对象的状态图,该对象初始包含2个元素的空间:
现在我们可以使用Set类来记录在文件中找到的城市。在main函数中我们以2为初始大小创建Set对象:
Set cities (2);
然后在processLine函数中我们把两个城市添加到Set中,并保存返回的索引值。
int index1 = cities.add (city1);
int index2 = cities.add (city2);
我修改了processLine函数,使它以城市对象为第二个参数。