Common Lisp 中的双链表函数空元素的前向声明定义结构实例化一个元素单个空元素值

问题描述

我想在SBCL中实现一个简单的双链表，关键结构如下

(defstruct element
  (value 0 :type fixnum)
  (next nil :type element)
  (prev nil :type element))

问题是，不可能实例化第一个元素，因为 next 和 prev 都不可能为 nil。它们的类型是元素，所以它们必须是一个实例。

如果我删除 type 属性，这个问题基本上很容易解决。但事实是，这部分程序需要非常快，所以我想给优化器一个充分利用它的机会。

有没有其他方法可以指定成员的类型并使它们为零？或者更好：有没有办法创建一个带有 next 和 prev 引用实例本身的启动实例？

解决方法

还可以设置层次结构：

(defstruct element)

(defstruct (null-element (:include element)))

(defstruct (link-element (:include element))
  (value 0                   :type fixnum)
  (next  (make-null-element) :type element)
  (prev  (make-null-element) :type element))

使用：

* (compile-file "linked-list.lisp")
; compiling file "/Users/joswig/Desktop/linked-list.lisp"
;   (written 08 APR 2021 12:58:56 PM):
; processing (DEFSTRUCT ELEMENT)
; processing (DEFSTRUCT (NULL-ELEMENT #))
; processing (DEFSTRUCT (LINK-ELEMENT #) ...)

; wrote /Users/joswig/Desktop/linked-list.fasl
; compilation finished in 0:00:00.032
#P"/Users/joswig/Desktop/linked-list.fasl"
NIL
NIL
* (load *)
T
* (make-link-element)
#S(LINK-ELEMENT :VALUE 0
                :NEXT #S(NULL-ELEMENT)
                :PREV #S(NULL-ELEMENT))

(defstruct element
  (value 0 :type fixnum)
  (next nil :type (or element null))
  (prev nil :type (or element null)))

让 NIL 表示空元素并没有错，但如果你真的想强制类型，你可以按如下方式进行。

ALLOCATE-INSTANCE 泛型函数（但显然不是 INITIALIZE-INSTANCE）被指定用于处理 STRUCTURE-CLASS 的实例。

函数空元素的前向声明

此函数返回类型 element 的空值。使用 SBCL，如果您一次编译所有定义（即使用 compile-file），则不是绝对必要的。

(declaim (ftype function null-element))

定义结构

values 的 initform 是对 null-element 的调用，以便在形成新结构时该值满足类型。没有为这个结构定义构造函数，这使得手动构建它变得更加困难（并避免命名问题）。

(defstruct (element (:constructor nil))
  (value 0 :type fixnum)
  (next (null-element) :type element)
  (prev (null-element) :type element))

实例化一个元素

这里的代码分配了结构，但没有初始化它。这避免了 sbcl 可能会自动检查其插槽类型的问题。这里，插槽的内容在分配后是未定义的，但随后它们被设置为适当类型的值（元素本身）。

(defun make-element (value)
  (let ((element (allocate-instance (find-class 'element))))
    (prog1 element
      (setf (element-value element) value
            (element-next  element) element
            (element-prev  element) element))))

如果使用类，我会改为调用 initialize-instance，但我认为这不会适用于所有实现。使用 setf 直接设置插槽有效。

在这里，我将回答您的问题，并让元素具有指向自身的链接。

或者更好：有没有办法创建一个带有 next 和 prev 引用实例本身的启动实例？

您也可以让字段为 (null-element)，但这只是设计选择的问题。

单个空元素值

调用 (null-element) 返回一个表示空元素的标记值。在这里，我在加载时分配一个 element 实例，并在每次调用时返回相同的实例。存储在节点中的实际值并不重要。正如 RainerJoswig 所指出的，空元素可能是一个没有这样值的结构体的实例。

(defun null-element ()
  (load-time-value (make-element 0)))

(defun null-element-p (element)
  (eq element (null-element)))

我想给优化器一个充分利用它的机会。

如果您希望双向链表代码尽可能快，请不要使用 nil 终止指针。

使用哨兵节点终止链表，有效地使其循环。

也就是说，空链表是一个指向自身的节点：

(defun make-dl-list()
  (let ((do (make-element)))
     (setf (element-next sentinel) dl
           (element-prev sentinel) dl)
      dl))

列表的头部是(element-next list)。如果该值是列表本身，则列表为空：

 (defun dl-list-empty (dl)
   (eq (element-next dl) dl))

在前面插入：

 (defun dl-insert-front (list node)
   (let ((head (element-next list)))
     (setf (elem-next node) head
           (elem-prev node) list
           (elem-prev head) node
           (elem-next list) node)))

删除节点：不需要指向列表的指针！

 (defun dl-delete-node (node)
   (let ((next (elem-next node))
         (prev (elem-prev node))
     (setf (elem-next prev) next
           (elem-prev next) prev)))

注意这些操作都没有执行任何测试；它们只是更新指针的基本代码块。

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