第一章 绪论
（a）计算
好算法：正确（处理简单的、大规模的、一般性的、退化的、合法的输入）、健壮、可读、效率（速度快、存储空间小）
计算成本T(n)：求解规模为n的问题所需基本操作数，在规模为n的所有实例中，只关注最坏（成本最高）者
（b）计算模型
图灵机模型（TM）（q, c; d, L/R, p）：状态为q，当前字符为c；将当前字符改为d，转向左/右邻格；转入p状态，一旦转入状态’h’，停机，如（<, 1, 0, L, <）
RAM（Random Access Machine）：寄存器顺序编号，每一操作只需常数时间
（c）大O记号
代表上界，根据T(n) < c.f(n)，用f(n)代替T(n)，可忽略常系数和低次项
O(1) 常数
//常数情况
2013×2013
//包含循环情况
for(i=0; i<n; i+= n/2013 + 1);
for(i=1; i<n; i=1 << i);
//包含分支
if((n+m)*(n+m) < 4*n*m) goto UNREACHABLE;
//包含递归
if(2==(n*n)% 5) 01(n);
O(logn) 对数：此类算法非常有效，复杂度无限接近常数，可忽略常底数和常数次幂
O(n) 线性及多项式：线性，从n到n2是编程题主要覆盖的范围
O(2^n) 指数：无效，从多项式到指数被认为有效算法到无效算法的分水岭
（d）算法分析
两个任务：正确性（不变性、单调性）+ 复杂度
复杂度分析：猜测+验证，迭代（级数求和），递归（递归跟踪+递推方程）
算数级数：与末项平方同阶
幂方级数：比幂次高出一阶
几何级数(a>1)：与末项同阶
收敛级数：O(1)
调和级数：1+1/2+1/3+…+1/n=O(logn)
对数级数：log1+log2+…+logn=O(nlogn)
eg: 起泡排序
void bubblesort(int A[], int n){
for (bool sorted = false; sorted = !sorted; n--)
for (int i=1; i<n; i++)
if (A[i-1] > A[i]){
swap(A[i-1], A[i]);
sorted = false;
}
}
不变性：经k轮交换，最大的k个元素就位
单调性：经k轮交换，问题规模缩减至n-k
正确性：经至多n趟扫描后，算法必然终止且给出正确解答
（e）迭代与递归
减而治之：划分为两个子问题，其一平凡，另一缩减；
//数组求和
sum(int A[], int n){
return
(n<1)?
0: sum(A, n-1) + A[n-1];
}
求解sum(A, n)
递归基：sum(A, 0)
递归公式：T(n) = T(n-1) + O(1) T(0) = O(1)
//数组倒置
while(lo < hi) swap(A[lo++], A[hi--]);
分而治之：划分为两个子问题，规模大体相当
//数组求和
sum(int A[], int lo, int hi){
if (lo == hi) return A[lo];
int mi = (lo + hi) >> 1;
return sum(A, lo, mi) + sum(A, mi + 1, hi)
}
求解sum(A, lo, hi)
递归基：sum(A, lo, lo)
递推公式：T(n) = 2*T(n/2) + O(1) T(1) = O(1)
复杂度：T(n) = O(n)
eg：从数组区间A[lo, hi)找出最大的两个整数
//Max2：迭代1
void max2(int A[], int lo, int hi, int & x1, int & x2){
for (x1 = lo, int i = lo + 1; i < hi; i++)
if (A[x1] < A[i]) x1 = i;
for (x2 = lo, int i = lo + 1; i < x1; i++)
if (A[x2] < A[i]) x2 = i;
for (int i = x1 + 1; i < hi; i++)
if (A[x2] < A[i]) x2 = i;
}
比较次数O(2n-3)
//Max2：迭代2
void max2(int A[], int lo, int hi, int & x1, int & x2){
if (A[x1 = lo] < A[x2 = lo + 1]) swap(x1, x2);
for(int i = lo + 2; i < hi; i++)
if (A[x2] < A[i])
if(A[x1] < A[x2 = i])
swap(x1, x2);
}
最好情况：n - 1
最坏情况：2n - 3
//Max2：递归+分治
void max2(int A[], int lo, int hi, int & x1, int & x2){
if (lo + 2 == hi){/*...*/;return;}
if (lo + 3 == hi){/*...*/;return;}
int mi = (lo + hi)/2;
int x1L, x1R; max2(A, lo, mi, x1L, x2L);
int x1R, x2R; max2(A, mi, hi, x1R, x2R);
if(A[x1L] > A[x1R]){
x1 = x1L; x2 = (A[x2L] > A[x1R])?x2L : x1R;
}else{
x1 = x1R; x2 = (A[x1L] > A[x2R])?x1L : x2R;
}
}
比较次数：5n/3 - 2
（f）动态规划
eg1: 斐波那契数列：fib(n) = fib(n-1) + fib(n-2)
int fib(n){return (2 > n)? n : fib(n-1) + fib(n -2)}
低效，因为各递归实例均被大量重复地调用 O(2^n)
解决方法A：将计算过实例的结果制表备查
解决方法B：动态规划，将自顶向下递归，改为自底向上迭代
f = 0; g = 1;
while (0 < n--){
g = g + f;
f = g - f;
}
return g;
T(n) = O(n)， 仅需O(1)空间
eg2：最长公共子序列（可能有多个；可能有歧义）
对于序列A[0, n]和B[0, m]，LSC有三种情况：
（1）n = -1或m = -1，取空序列（“”）
（2）A[n] = ‘X’ = B[m]，取LSC(A[0, n),B[0, m)) + ‘X’ （减而治之）
（3）A[n] ≠ B[m]，则在 LCS(A[0, n], B[0, m))与 LCS(A[0, n), B[0, m])中取更长者 （分而治之）
最好情况：O(n + m)
最坏情况：O(2^n) (n = m)
与斐波那契数列一样，有大量重复的递归实例；若采用动态规划，只需O(nm)时间即可计算所有子问题，为此只需（1）将所有子问题假想列成一张表；（2）颠倒计算方向，从LCS(A[0], B[0])出发依次计算所有项。
第二章 向量
（a）接口与实现
size() - 报告当前向量的规模（元素总数）
get® - 获取秩为r的元素
put(r,e) - 用e替换秩为r元素的数值
insert(r,e) - e作为秩为r元素插入，原后继元素依次后移
remove® - 删除秩为r的元素，返回该元素中原存放的对象
disordered() - 判断所有元素是否已按非降序排列
sort() - 调整各元素的位置，使之按非降序排列
find(e) - 查找目标元素e
search(e) - 查找目标元素e，返回不大于e且秩最大的元素
deduplicate() - 删除重复元素
uniquify() - 删除重复元素（有序向量）
traverse() - 遍历向量并统一处理所有元素，处理方法由函数对象指定
vector模板类
typedef int Rank;
#define DEFAULT_CAPACITY 3
template <typename T> class Vector{
private:Rank _size; int _capacity; T* _elem;
protected:
/*...内部函数*/
public:
/*...构造函数*/
/*...析构函数*/
/*...只读接口*/
/*...可写接口*/
/*...遍历接口*/
}
构造与析构
Vector(int c = DEFAULT_CAPACITY)
{ _elem = new T[_capacity = c]; _size = 0;} //默认
Vector(T const *A, Rank lo, Rank hi) //数组区间复制
{ copyFrom(A, lo, hi); }
Vector(Vector<T> const& V, Rank lo, Rank hi)
{ copyFrom(V._elem, lo, hi); } //向量区间复制
Vector(Vector<T> const& V)
{ copyFrom(V._elem, 0, V._size); }
~Vector() { delete [] _elem; } //释放内部空间
基于复制的构造
template <typename T> //T为基本类型，或已重载复制操作符'='
void Vector<T>::copyFrom(T* const A, Rank lo, Rank hi){
_elem = new T[_capacity = 2*(hi - lo)]; //分配空间
_size = 0; //规模清零
while (lo < hi) //A[lo, hi)内的元素逐一
_elem[_size++] = A[lo++]; //复制至_elem[0,hi-lo)
}
（b）可扩充向量
静态空间管理：开辟内部数组_elem[]并使用一段地址连续的物理空间，_capacity总容量固定，则有明显不足：
（1）上溢：_elem[]不足以存放所有元素，尽管此时系统仍有足够的空间
（2）下溢：_elem[]中的元素寥寥无几，装填因子小于50%
动态空间管理：在即将上溢时，扩大内部数组的容量
扩容算法实现
template <typename T>
void Vector<T>::expand(){
if (_size < _capacity) return;
_capacity = max(_capacity, DEFAULT_CAPACITY);
T* oldElem = _elem; _elem = new T[_capacity <<= 1]; //容量加倍
for(int i=0; i<_size;i++) //复制原向量内容
_elem[i] = oldElem[i];
delete [] oldElem;
}
容量递增策略
T* oldElem = _elem; _elem = new T[_capacity += INCREMENT]; //追加固定大小的容量
最坏情况：在初始容量为0的空向量中，连续插入n=m*I >>2个元素，在1、I+1、2I+1、3I+1次插入时需要扩容，各次扩容需要的时间成本为0，I, 2I, …, (m-1)I，总体耗时O(n^2)，每次扩容分摊成本O(n)
容量加倍策略
T* oldElem = _elem; _elem = new T[_capacity <<= 1];
最坏情况：在初始容量为1的满向量中，连续插入n=2 ^ m>>2个元素，在第1、2、4、8、16次插入都需要扩容，每次扩容中复制原向量的时间成本分别为1,2,4,8，…,2^m = n，总体耗时O(n)，每次扩容的分摊成本为O(1)
平均分析复杂度：根据数据结构各种操作出现概率的分布，将对应的成本加权平均，各种可能的操作作为独立事件分别考查，割裂了操作之间的相关性和连贯性，不能准确评判数据结构和算法的真实性能；
分摊复杂度：对数据结构连续实施足够多次操作，所需总成本分摊至单次操作，对一系列操作做整体的考量
（c）无序向量
元素访问
利用 V.get® 和 V.put(r, e) 接口读写向量元素没有数组A[r]便捷高效，需要重载下标操作符[]
template <typename T>
T & Vector<T>::operator[](Rank r) const{return _elem[r];}
此后对外V[r]对应内部V._elem[r]
右值：T x = V[r] + U[s] * W[t];
左值：V[r] = (T)(2*x + 3)
插入
template <typename T> //e作为秩为r元素插入
Rank Vector<T>::insert(Rank r, T const & e){
expand(); //如有必要，扩容
for (int i=_size; i>r; i--)
_elem[i] = _elem[i-1]; //后继元素顺次后移一个单元
_elem[r] = e; _size++;
return r; //返回秩
}
区间删除
template <typename T>
int Vector<T>::remove(Rank lo, Rank hi){
if(lo == hi) return 0; //处于效率考虑，单独处理退化情况
while(hi<_size) _elem[lo++] = _elem[hi++]; //[hi,_size)顺次前移hi-lo位
_size = lo; shrink(); //更新规模，如有必要则缩容
return hi-lo; //返回被删除元素的数目
}
查找
无序向量：T为可判等的基本类型，或已重载操作符"==“或”!="
有序向量：T为可比较的基本类型，或已重载操作符"<“或”>"
template <typename T>
Rank Vector<T>::find(T const & e, Rank lo, Rank hi) const{
while((lo < hi--) && (e!=_elem[hi]));
return hi;
}
复杂度输入敏感，最好O(1)，最差O(n)
单元素删除
可以视作区间删除操作的特例：[r] = [r, r+1)
template <typename T> //删除向量中秩为r的元素
T Vector<T>::remove(Rank r){
T e = _elem[r]; //备份被删除元素
remove(r,r+1);
return e;
}
Q：能否反复调用remove®实现remove(lo,hi)呢？
每次循环耗时正比于删除区间的后缀长度 = n - hi = O(n)，循环次数等于区间宽度=hi - lo = O(n)，如此将导致O(n^2)的复杂度。
（d1）有序向量：唯一化
应用实例：网络搜索局部结果经过去重操作，形成最终汇报
错误版
template <typename T>
int Vector<T>::deduplicate(){
int oldSize = _size; //记录原规模
Rank i = 1;
while(i<size)
(find(_elem[i], 0, i)<0)? //在前缀中寻找雷同者
i++ : remove(i);
return oldSize - _size;
}
正确性：
1、不变性。在当前元素V[i]的前缀V[0, i)中，各元素彼此互异，初始i=1时自然成立。
2、单调性。随着反复while迭代，前缀增长，后缀下降，算法最多迭代O(n)轮。
时间复杂度：
每轮迭代中find()和remove()累计消耗线性时间，故总体为O(n^2)
进一步优化：
1、仿照uniquify()高效版，元素移动次数降至O(n)——但比较次数仍为O(n^2)；
2、先对需删除的元素标记，再统一删除——稳定性保持，但因查找长度更长，导致更多的比对操作；
3、V.sort().uniquify()：简明实现最优的O(nlogn)
遍历
遍历向量，统一对各元素实施visit操作
利用函数指针机制，只读或局部性修改
template <typename T>
void Vector<T>::traverse(void (*visit)(T&)) //函数指针
{for (int i = 0; i < _size; i++) visit(_elem[i]);}
利用函数对象机制，全局性修改
template <typename T> template <typename VST>
void Vector<T>::traverse(VST& visit) //函数对象
{for (int i = 0; i < _size; i++) visit(_elem[i]);}
实例：统一将向量中所有元素分别加一
首先，实现一个可使单个T类型元素加一的类
template <typename T> //假设T可直接递增或已重载操作符
struct Increase{ //函数对象：通过重载操作符()实现
virtual void operator()(T & e){e++;} //加一
}
此后
template <typename T> void increase(Vector<T> & V){
V.traverse(Increase<T>()); //基本操作遍历向量
}
有序性及其甄别
相邻逆序对的数目，可用以度量向量的逆序程度
template <typename T>
int Vector<T>::disordered() const{
int n = o;
for (int i = 1; i < _size; i++) //逐一检查各对相邻元素
n += (_elem[i-1] > _elem[i]); //逆序则计数
return n; //向量有序当且仅当n = 0
} //若只需判断是否有序，则首次遇到逆序对后可立即终止
独特性
低效算法
观察：在有序向量中，重复的元素必然相互紧邻构成一个区间，每个区间只需保留单个元素
template <typename T> int Vector<T>::uniquify(){
int oldSize = _size; int i = 0;
(_elem[i] == _elem[i+1]) ? remove(i+1); i++;
return oldSize - _size; //删除元素总数
}
复杂度：运行时间主要取决于while循环，次数共计n-1；最坏情况下每次都要调用remove()，耗时O(n-1) ~ O(1)，累计O(n^2)。尽管省去find()，总体与无序向量的deduplicate()相同。
反思：低效的根源在于，同一元素可作为被删除元素的后继多次前移，若以重复区间为单位，成批删除雷同元素，性能必将改进。
高效算法
template <typename T> int Vector<T>::uniquify(){
Rank i = 0, j = 0; //各对互异相邻元素的秩
while (++j < _size) //逐一扫描，直至末元素
//跳过雷同者，发现不同元素时，向前移至紧邻于前者右侧
if (_elem[i]!=_elem[j]) _elem[++i]=_elem[j];
_size = ++i; shrink(); //直接截除尾部多余元素
return j-i; //被删除元素总数
}
复杂度：共计n-1次迭代，每次常数时间，累计O(n)时间
（d2）有序向量：二分查找
统一接口
template <typename T> //查找算法统一接口
Rank Vector<T>::search(T const & e, Rank lo, Rank hi) const{
return (rand() % 2)? //各按50%的概率随机选用
binSearch(_elem, e, lo, hi) //二分查找法或
： fibSearch(_elem, e, lo, hi); //Fibonacci查找法
}
问题：如何处置特殊情况？比如目标元素不存在，或目标元素存在多个
语义约定：至少应该便于有序向量自身的维护V.insert(1 + V.search(e), e)，即使失败也应给出新元素适当的插入位置，若允许重复元素，每一组也需按其插入的次序排列。
约定：在有序向量区间V[lo,hi)中，确定不大于e的最后一个元素（秩）
若-∞< e < V[lo]，则返回lo - 1 （左侧哨兵）
若V[hi - 1] < e < +∞，则返回hi - 1 （末元素=右侧哨兵紧邻）
版本A：
减而治之：任一元素x = S[mi]为界，可将查找区间分为三部分，S[lo, mi) <= S[mi] <= S(mi, hi)，S[mi]称作轴点，经过至多两次比较，或者能够命中，或者把问题规模缩减至一半
template <typename T>
static Rank binSearch(T* A, T const& e, Rank lo, Rank hi){
while(lo < hi){
Rank mi = (lo + hi) >> 1; //以中点为轴点
if (e < A[mi]) hi = mi;
else if (A[mi] < e) lo = mi + 1;
else return mi; //在mi处命中
}
return -1; //查找失败
}
线性递归：T(n) = T(n/2) + O(1) = O(logn)，大大优于顺序查找，递归深度O(logn)，各递归实例耗时O(1)。
查找长度：更精细地评估查找算法的性能，考查关键码的比较次数，即查找长度
（d3）有序向量：Fibonacc查找
思路：转向左、右分支前的关键码比较次数不等，而递归深度相同。若能通过递归深度的不均衡，对转向成本的不均衡进行补偿，平均查找深度应该能进一步缩短。
比如n = fib(k) - 1，可取mi = fib(k -1) - 1，于是前后子向量的长度分别为fib(k - 1) - 1、fib(k - 2) - 1
template <typename T>
static Rank fibSearch(T* A, T const & e, Rank lo, Rank hi){
Fib fib(hi - lo); //创建Fib数列
while (lo < hi){
while (hi - lo < fib.get()) fib.prev(); //至多迭代几次？
//通过向前顺序查找，确定Fib(k) - 1的轴点
Rank mi = lo + fib.get() - 1;
if (e < A[mi]) hi = mi;
else if (A[mi] < e) lo = mi + 1;
else return mi;
}
return -1;
}
（d4）有序向量：二分查找（改进）
改进思路：每次迭代仅做一次关键码比较，所有分支只有2个方向
template <typename T> static Rank binSearch(T* A, T const & e, Rank lo, Rank hi){
while(1 < hi - lo){
Rank mi = (lo + hi) >> 1;
(e < A[mi]) ? hi = mi : lo = mi; //[lo,mi)或[mi,hi)
}
return (e == A[lo])? lo:-1
}
（d5）有序向量：插值查找
语义约定：search()接口约定，返回不大于e的最后一个元素。只有兑现这一约定，才能有效支持算法，比如V.insert(1+V.search(e), e)
（1）当多个命中元素时，必须返回最靠后（秩最大）者；
（2）失败时，应返回小于e的最大者（含哨兵[lo - 1]）
template <typename T> static Rank binSearch(T* A, T const& e, Rank lo, Rank hi){
while (lo < hi){
Rank mi = (lo + hi) >> 1;
(e < A[mi])? hi = mi : lo = mi + 1;
} //出口时，A[lo = hi]为大于e的最小元素
return --lo; //lo - 1为不大于e的元素的最大秩
}
待查找区间缩短至0而非1时算法才结束；转入右侧子向量时，左边界取作mi+1而非mi；无论成功与否，返回的秩严格符合接口的语义约定。
（e）起泡排序
排序器：统一入口
template <typename T>
void Vector<T>::sort(Rank lo, Rank hi){
switch (rand() % 5){
case 1 : bubbleSort(lo, hi); break; //起泡排序
case 2 : selectionSort(lo, hi); break; //选择排序
case 3 : mergeSort(lo, hi): break; //归并排序
case 4 : heapSort(lo, hi);break; //堆排序（第十章）
default : quickSort(lo, hi);break; //快速排序（第十二章）
}
}
起泡排序
template <typename T> void Vector<T>::bubbleSort(Rank lo, Rank hi)
{ while (!bubble(lo,hi--)); } //逐趟做扫描交换，直至全序
template <typename T> bool Vector<T>::bubble(Rank lo, Rank hi){
bool sorted = true; //整体有序标志
while (++lo < hi) //自左向右，逐一检查各对相邻元素
if (_elem[lo - 1] > _elem[lo]){ //若逆序
sorted = false;
swap(_elem[lo - 1], _elem[lo]); //交换
}
return sorted; //返回有序标志
}//乱序限于[0,根号n)时，仍需O(n的3/2方)时间：O(n.r)
改进：前一版本的逻辑型标志sorted，改为秩last
template <typename T> void Vector<T>::bubbleSort(Rank lo, Rank hi)
{ while (lo < (hi = bubble(lo,hi)));}
template <typename T> Rank Vector<T>::bubble(Rank lo, Rank hi){
Rank last = lo; //最右侧的逆序对初始化为[lo - 1, lo]
while (++lo < hi) //自左向右逐一检查各对相邻元素
if (_elem[lo - 1] > _elem[lo]){//若逆序
last = lo; //更新最右侧逆序对的位置
swap(_elem[lo - 1], _elem[lo]);
}
return last;
}
综合评价：
（1）效率与第一章针对整数数组的版本相同，最好O(n)，最坏O(n^2)；
（2）输入重复元素时，算法的稳定性（输入、输出序列的相对次序）保持不变；
（3）在起泡排序中，元素a和b的相对位置发生变化，只有一种可能：经分别与其他元素的交换，二者相互接近直至相邻，在接下来的一轮扫描交换中，二者因逆序而交换位置。
（f）归并排序
原理：分治策略（向量和列表通用） 运行时间O(nlogn)
序列一分为二 //O(1)
子序列递归排序 //2×T(n/2)
合并有序子序列 //O(n)
template <typename T>
void Vector<T>::mergeSort(Rank lo, Rank hi){
if (hi - lo < 2) return; //单元素区间自然有序
int mi = (lo + hi) >> 1； //以中点为界
mergeSort(lo, mi); //对前半段排序
mergeSort(mi, hi); //对后半段排序
merge(lo, mi, hi); //归并
}
二路归并原理：将两个有序序列合并为一个有序序列S[lo, hi) = S[lo, mi) + S[mi, hi)
template <typenamee T> void Vector<T>::merge(Rank lo, Rank mi, Rank hi){
T* A = _elem + lo; //合并后的子向量A[0, hi - lo) = _elem[lo, hi)
int lb = mi - lo; T* B = new T[lb]; //前子向量B[0, lb) = _elem[lo,mi)
for (Rank i = 0; i < lb; B[i] = A[i++]); //复制前子向量B
int lc = hi - mi; T* c = _elem + mi; //后子向量C[0,lc) = _elem[mi, hi)
for (Rank i = 0, j = 0, k = 0; (j <lb) || (k < lc)；){//B[j]和C[k]中的小者转至A的末尾
if ((j < lb) && (lc <= k || (B[j] <= C[k]))) A[i++] = B[j++]; //C[k]已无或不小
if ((k < lc) && (lb <= j || (C[k] < B[j]))) A[i++] = C[k++]; //B[j]已无或更大
}//该循环实现紧凑，但效率不如拆分处理
delete [] B; //释放临时空间B
}
复杂度分析：算法的运行时间主要消耗于for循环，共有两个控制变量j和k，初始j=0，k=0；最终j=lb, k=lc；即j + k = lb + lc = hi - lo = n。
观察每经过一次迭代，j和k中至少有一个会加一（j+k也至少加一），故merge()总体迭代不超过**O(n)**次，累计线性时间。这一结论与排序算法的Ω(nlogn)下届并不矛盾，因为B和C已经各自有序。
注意：待归并子序列不必等长，允许lb ≠ lc, mi ≠ (lo + hi) / 2，这一算法和结论也适用于另一类序列——列表。
第三章 列表
（a）接口与实现
根据是否改变数据结构，所有操作方式大致分为：（1）静态：仅读取，数据结构的内容及组成一般不变，get、search；（2）动态：需写入，数据结构的局部或整体将改变，insert、remove。
数据元素的存储与组织方式：（1）静态：数据元素的物理存储次序与其逻辑顺序严格一致，可支持高校静态操作，如向量；（2）动态：为各数据元素动态分配和回收的物理空间，逻辑上相邻的元素记录彼此物理地址，逻辑上形成一个整体，可支持高效的动态操作，如列表。
列表元素称为节点，相邻节点彼此互称前驱或后继，若存在则唯一，若无前驱/后继的唯一节点为首/末节点。
向量：循秩访问，O(1)时间确定物理地址
列表：循位置访问，利用节点间的相互引用
ADT接口（ListNode）
pred() //当前节点前驱节点的位置
succ() //当前节点后继节点的位置
data() //当前节点所存数据对象
insertAsPred(e) //插入前驱节点，存入被引用对象e，返回新节点位置
insertAsSucc(e) //插入后继节点，存入被引入对象e，返回新节点位置
列表节点：ListNode模板类
#define Posi(T) ListNode<T>* //列表节点位置
template <typename T> //简洁起见，完全开放，不过度封装
struct ListNode{//列表节点模板类（双向链表形式）
T data; //数值
Posi(T) pred; //前驱
Posi(T) succ; //后继
ListNode(){} //针对header和trailer的构造
ListNode(T e, Posi(T) p = NULL, Posi(T) s = NULL):data(e),pred(p),succ(s){}//默认构造器
Posi(T) insertAsPred(T const& e);//前插入
Posi(T) insertAsSucc(T const& e);//后插入
}
其他ADT接口
size() //报告列表当前规模（节点总数）
first(),last() //返回首、末节点的位置
insertAsFirst(e),insertAsLast(e) //把e当作首、末节点插入
insertBefore(p,e),insertAfter(p,e) //将e当作节点p的直接前驱、后继插入
remove(p) //删除位置p处的节点，返回其引用
disordered() //判断所有节点是否已按非降序排列
sort() //调整各节点的位置，使之按非降序排列
find(e) //查找目标元素e，失败时返回NULL
search(e) //查找e，返回不大于e且秩最大的节点（有序列表）
deduplicate(),uniquify() //剔除重复节点
traverse() //遍历列表
列表：List模板类
#include "listNode.h" //引入列表节点类
template <typename T> class List{//列表模板类
private: int _size; Posi(T) header; Posi(T) trailer;//头、尾哨兵
protected: /*...内部函数 */
public: /*...构造函数、析构函数、只读接口、可写接口、遍历接口/
}
构造
template <typename T> void List<T>::init(){
header = new ListNode<T>; //创建头哨兵节点
trailer = new ListNode<T>; //创建尾哨兵节点
header->succ = trailer; header->pred = NULL; //互联
trailer->pred = header; trailer->succ = NULL;//互联
_size = 0;//记录规模
}
（b）无序列表
从秩到位置，模仿向量循秩访问，重载下标操作符
template <typename T>
T List<T>::operator[](Rank r) const{
Posi(T) p = first(); //从首节点出发
while(0 < r--) p = p->succ; //顺数第r个节点
return p->data;//目标节点
}//任一节点的秩，亦即其前驱总数
查找：在节点p（可能是trailer）的n个（真）前驱中，找到等于e的最后者
template <typename T> //从外部调用时，0<=n<=rank(p)<_size
Posi(T) List<T>::find(T const & e, int n, Posi(T) p) const{
while(0 < n--) //从右向左，逐个将p的前驱与e比对
if( e == ( p = p->pred )->data) return p; //直至命中或范围越界
return NULL; //若越出左边界，意味查找失败
}//header的存在使处理更为简洁
插入
template <typename T> Posi(T) List<T>::insertBefore(Posi(T) p, T const& e)
{ _size++; return p->insertAsPred(e);} //e当作p的前驱插入
template <typename T> //前插入算法（后插入算法对称）
Posi(T) x = new ListNode(e, pred, this); //创建（耗时100倍）
pred->succ = x; pred = x; return x; //建立连接，返回新节点的位置
基于复制的构造
template <typename T>//基本接口
void List<T>::copyNodes(Posi(T) p, int n){ //O(n)
init();//创建头、尾哨兵节点并做初始化
while (n--) //将起自p的n项依次作为末节点插入
{insertAsLast(p->data); p = p->succ;}
}
删除
template <typename T> //删除合法位置p处节点，返回其数值
T List<T>::remove(Posi(T) p){ //O(1)
T e = p->data; //备份待删除节点数值（设类型T可直接赋值）
p->pred->succ = p->succ;
p->succ->pred = p->pred;
delete p; _size--; return e; //返回备份数值
}
析构
template <typename T> List<T>::~List() //列表析构
{clear();delete header; delete trailer;} //清空列表，释放头、尾哨兵节点
template <typename T> int List<T>::clear(){//清空列表
int oldSize = _size;
while(0 < _size) //反复剔除首节点，直至列表为空
remove(header->succ);
return oldSize;
} //O(n)，线性正比于列表规模
唯一化
template <typename T> int List<T>::deduplicate(){//剔除无序列表中的重复节点
if (_size < 2) return 0; //平凡列表无重复
int oldSize = _size; //记录规模
Posi(T) p = first(); Rank r = 1; //p从首节点起
while (trailer != (p = p->succ)){//依次直到末节点
Posi(T) q = find(p->data, r, p); //在p的r个（真）前驱中，查找与之雷同者
q ? remove(q) : r++; //若的确存在则删除之，否则秩递增
}
return oldSize - _size; //列表规模变化量，即被删除元素总数
}//正确性即效率分析方法和结论，与Vector::deduplicate()相同
（c）有序列表
唯一化
template <typename T> int List<T>::uniquify(){//成批剔除重复元素
if（ _size < 2） return 0; //平凡列表无重复
int oldSize = _size; //记录原规模
ListNodePosi(T) p = first(); ListNodePosi(T) q; //p为各区段起点，q为其后继
while ( trailer != ( q = p->succ)) //反复考查紧邻的节点对（p,q）
if (p->data != q->data) p = q; //若互异，转向下一区段；
else remove(q); //否则雷同，删除后者
return oldSize - _size; //规模变化量，即被删除元素总数
} //O(n)
查找
template <typename T> //在有序列表内节点p的n个（真）前驱中，找到不大于e的最后者
Posi(T) List<T>::search(T const & e, int n, Posi(T) p) const{
while (0 <= n--) //对于p的最近的n个前驱，从右到左
if(((p = p->pred ) -> data) <= e) break; //逐个比较
return p; //直至命中、数值越界或范围越界后，返回查找终止的位置
}//最好O(1)，最坏O(n)；等概率时平均O(n)，正比于区间宽度
（d）选择排序
selectionSort实现：对列表中起始于位置p的连续n个元素做选择排序
template <typename T> void List<T>::selectionSort(Posi(T) p, int n){
Posi(T) head = p->pred; Posi(T) tail = p; //待排序区间(head,tail)
for(int i = 0; i < n; i++) tail = tail->succ;//head/tail可能是头/尾哨兵
while (1 < n) {//反复从非平凡待排序区间找出最大者，移至有序区间前端
insertBefore(tail, remove(selectMax(head->succ,n)));
tail = tail->pred; n--; //待排序区间、有序区间的范围，均同步更新
}
}
selectMax实现：从起始于位置p的n个元素中选出最大者，1<n
template <typename T>
Posi(T) List<T>::selectMax(Posi(T) p, int n){ //O(n)
Posi(T) max = p; //最大者暂定为p
for (Posi(T) cur = p; 1 < n; n--) //后续节点逐一与max比较
if( !lt((cur = cur->succ)->data, max->data)) //若＞=max
max = cur; //更新最大元素位置记录
return max; //返回最大节点位置
}
性能：共迭代n次，在第k次迭代中selectMax()为O(n-k)，remove()和insertBefore()均为O(1)，故总体复杂度为O(n^2) 。元素移动操作远远少于起泡排序，O(n^2)主要来自于元素比较操作。
（e）插入排序
将序列看成两部分：Sorted + Unsorted ，即L[0, r) + L[r, n)
初始化：|S| = r = 0 //空序列无所谓有序
迭代：关注并处理e = L[r]，在S中确定适当位置插入e，得到有序的L[0,r] //有序序列的插入
不变性：随着r的递增，L[0,r)始终有序，直到r=n, L即整体有序
insertionSort实现：对列表中起始于位置p的连续n个元素做插入排序，valid( p ) && rank( p ) + n <= size
template <typename T> void List<T>::insertionSort(Posi(T) p, int n){
for (int r = 0; r < n；r++){//逐一引入各节点，由Sr，得到Sr+1
insertAfter(search( p->data, r, p),p->data); //查找+插入
p = p->succ; remove( p->pred); //转向下一节点
}//n次迭代，每次O(r+1)
}//仅使用O(1)辅助空间，属于就地算法
平均性能
- 假定各元素的取值遵守均匀独立分布，平均要做多少次元素比较？
- 考查L[r]刚插入完成的那一时刻穿越，试问此时的有序前缀L[0,r]中，哪个元素是此前的L[r]？
- 其中的r+1个元素均有可能，且概率均等于1/(r+1)，因此在刚完成的这次迭代中，为引入S[r]所花费时间的数学期望为[r+(r-1)+…3+2+1+0]/(r+1)+1=r/2+1，总体数学期望=[0+1+…+(n-1)]/2+1=O(n^2)