基于C#实现十字链表

上一篇我们看了矩阵的顺序存储，这篇我们再看看一种链式存储方法“十字链表”，当然目的都是一样，压缩空间。

一、概念

既然要用链表节点来模拟矩阵中的非零元素，肯定需要如下 5 个元素(row,col,val,down,right)，其中：

row:矩阵中的行。
col:矩阵中的列。
val:矩阵中的值。
right:指向右侧的一个非零元素。
down：指向下侧的一个非零元素。

现在我们知道单个节点该如何表示了，那么矩阵中同行的非零元素的表示不就是一个单链表吗？比如如下：

那么进一步来说一个多行的非零元素的表示不就是多个单链表吗，是的，这里我把单链表做成循环链表，我们来看看如何用十字链表来表示稀疏矩阵。

从上面的十字链表中要注意两个问题：
第一：这里有一个填充色的节点，是十字链表中的总结点，它是记录该矩阵中的（row,col,value）和一个指向下一个头节点的 next 指针。
第二：每个链表都有一个头指针，总结点用 next 指针将它们贯穿起来。

二、操作

2.1、数据结构

刚才也说了，十字链表的总结点有一个 next 指针，而其他非零节点没有，所以为了方便，我们用一个 Unit 类包装起来。

 #region 单一节点
 /// <summary>
 /// 单一节点
 /// </summary>
 public class Node
 {
     //行号
     public int rows;

     //列号
     public int cols;

     //向下的指针域
     public Node down;

     //向右的指针域
     public Node right;

     //单元值（头指针的next和val）
     public Unit unit;
 }
 #endregion

 #region 统一“表头节点”和“非零节点”
 /// <summary>
 /// 统一“表头节点”和“非零节点”
 /// </summary>
 public class Unit
 {
     //表头节点的next域
     public Node next;

     //非零元素的值
     public int value;
 }
 #endregion

2.2、初始化

这一步，我们初始化总结点，并且用 next 指针将每个单链表的头节点链接成单链表（也就是上图中十字链表的第一行）

#region 十字链表中的“行数，列数，非零元素个数”
 /// <summary>
 /// 十字链表中的“行数，列数，非零元素个数”
 /// </summary>
 /// <param name="rows"></param>
 /// <param name="cols"></param>
 /// <param name="count"></param>
 public void Init(int rows, int cols, int count)
 {
     var len = Math.Max(rows, cols) + 1;

     //从下标1开始算起
     nodes = new Node[len];

     //十字链表的总头节点
     nodes[0] = new Node();

     nodes[0].rows = rows;
     nodes[0].cols = cols;
     nodes[0].unit = new Unit()
     {
         value = count,
         next = null,
     };

     //down和right都指向自身
     nodes[0].right = nodes[0];
     nodes[0].down = nodes[0];

     var temp = nodes[0];

     //初始化多条链表的头结点
     for (int i = 1; i < len; i++)
     {
         nodes[i] = new Node();

         nodes[i].rows = 0;
         nodes[i].cols = 0;
         nodes[i].unit = new Unit()
         {
             value = 0,
             next = temp.unit.next
         };

         //给上一个节点的next域赋值
         temp.unit.next = nodes[i];

         //将当前节点作为下一次循环的上一个节点
         temp = nodes[i];

         nodes[i].right = nodes[i];
         nodes[i].down = nodes[i];
     }
 }
 #endregion

2.3、插入节点

根据插入节点的 row 和 col 将节点插入到十字链表中指定的位置即可。

#region 插入十字链表中
 /// <summary>
 /// 插入十字链表中
 /// </summary>
 /// <param name="nums">矩阵</param>
 /// <param name="rows">矩阵的行数</param>
 /// <param name="cols">矩阵的列数</param>
 /// <param name="count">非0元素个数</param>
 /// <returns></returns>
 public Node[] Insert(int[,] nums, int rows, int cols, int count)
 {
     //初始化操作
     Init(rows, cols, count);

     //插入操作
     for (int i = 0; i < rows; i++)
     {
         for (int j = 0; j < cols; j++)
         {
             //直插入"非0元素"
             if (nums[i, j] != 0)
             {
                 var node = new Node();

                 node.rows = i + 1;
                 node.cols = j + 1;
                 node.unit = new Unit()
                 {
                     value = nums[i, j]
                 };
                 node.right = node;
                 node.down = node;

                 InsertNode(node);
             }
         }
     }

     return nodes;
 }
 #endregion

2.4、打印链表

我们只要遍历每行链表的 right 指针即可。

#region 打印十字链表
 /// <summary>
 /// 打印十字链表
 /// </summary>
 /// <param name="nodes"></param>
 public void Print(Node[] nodes)
 {
     var head = nodes[0];

     //遍历每一行的right
     for (int i = 1; i < head.rows + 1; i++)
     {
         var p = nodes[i];

         while (p.right != nodes[i])
         {
             Console.WriteLine("({0},{1})\tval => {2}",
                 p.right.rows,
                 p.right.cols,
                 p.right.unit.value);

             //指向下一个节点
             p = p.right;
         }
     }
 }
 #endregion

2.5、总的代码：

 using System;
 using System.Collections.Generic;
 using System.Linq;
 using System.Text;
 using System.Diagnostics;
 using System.Threading;
 using System.IO;
 
 namespace ConsoleApplication2
 {
     public class Program
     {
         public static void Main()
         {
             Crosslist crosslist = new Crosslist();
 
             int[,] nums = {
             {2,0,4 },
             {0,3,0 },
             {0,0,9 }
            };
 
             var nodes = crosslist.Insert(nums, 3, 3, 4);
 
             crosslist.Print(nodes);
 
             Console.Read();
         }
     }
 
     /// <summary>
     /// 十字链表
     /// </summary>
     public class Crosslist
     {
         #region 单一节点
         /// <summary>
         /// 单一节点
         /// </summary>
         public class Node
         {
             //行号
             public int rows;
 
             //列号
             public int cols;
 
             //向下的指针域
             public Node down;
 
             //向右的指针域
             public Node right;
 
             //单元值（头指针的next和val）
             public Unit unit;
         }
         #endregion
 
         #region 统一“表头节点”和“非零节点”
         /// <summary>
         /// 统一“表头节点”和“非零节点”
         /// </summary>
         public class Unit
         {
             //表头节点的next域
             public Node next;
 
             //非零元素的值
             public int value;
         }
         #endregion
 
         Node[] nodes;
 
         #region 十字链表中的“行数，列数，非零元素个数”
         /// <summary>
         /// 十字链表中的“行数，列数，非零元素个数”
         /// </summary>
         /// <param name="rows"></param>
         /// <param name="cols"></param>
         /// <param name="count"></param>
         public void Init(int rows, int cols, int count)
         {
             var len = Math.Max(rows, cols) + 1;
 
             //从下标1开始算起
             nodes = new Node[len];
 
             //十字链表的总头节点
             nodes[0] = new Node();
 
             nodes[0].rows = rows;
             nodes[0].cols = cols;
             nodes[0].unit = new Unit()
             {
                 value = count,
                 next = null,
             };
 
             //down和right都指向自身
             nodes[0].right = nodes[0];
             nodes[0].down = nodes[0];
 
             var temp = nodes[0];
 
             //初始化多条链表的头结点
             for (int i = 1; i < len; i++)
             {
                 nodes[i] = new Node();
 
                 nodes[i].rows = 0;
                 nodes[i].cols = 0;
                 nodes[i].unit = new Unit()
                 {
                     value = 0,
                     next = temp.unit.next
                 };
 
                 //给上一个节点的next域赋值
                 temp.unit.next = nodes[i];
 
                 //将当前节点作为下一次循环的上一个节点
                 temp = nodes[i];
 
                 nodes[i].right = nodes[i];
                 nodes[i].down = nodes[i];
             }
         }
         #endregion
 
         #region 在指定的“行，列”上插入节点
         /// <summary>
         /// 在指定的“行，列”上插入节点
         /// </summary>
         /// <param name="node"></param>
         /// <returns></returns>
         public void InsertNode(Node node)
         {
             //先定位行
             Node pnode = nodes[node.rows];
 
             //在指定的“行”中找，一直找到该行最后一个节点（right指针指向自己的为止）
             while (pnode.right != nodes[node.rows] && pnode.right.cols < node.cols)
                 pnode = pnode.right;
 
             //将最后一个节点的right指向插入节点的right，以此达到是循环链表
             node.right = pnode.right;
 
             //将插入节点给最后一个节点的right指针上
             pnode.right = node;
 
             //再定位列
             pnode = nodes[node.cols];
 
             //同理
             while (pnode.down != nodes[node.cols] && pnode.down.rows < node.rows)
             {
                 pnode = pnode.down;
             }
 
             node.down = pnode.down;
             pnode.down = node;
         }
         #endregion
 
         #region 插入十字链表中
         /// <summary>
         /// 插入十字链表中
         /// </summary>
         /// <param name="nums">矩阵</param>
         /// <param name="rows">矩阵的行数</param>
         /// <param name="cols">矩阵的列数</param>
         /// <param name="count">非0元素个数</param>
         /// <returns></returns>
         public Node[] Insert(int[,] nums, int rows, int cols, int count)
         {
             //初始化操作
             Init(rows, cols, count);
 
             //插入操作
             for (int i = 0; i < rows; i++)
             {
                 for (int j = 0; j < cols; j++)
                 {
                     //直插入"非0元素"
                     if (nums[i, j] != 0)
                     {
                         var node = new Node();
 
                         node.rows = i + 1;
                         node.cols = j + 1;
                         node.unit = new Unit()
                         {
                             value = nums[i, j]
                         };
                         node.right = node;
                         node.down = node;
 
                         InsertNode(node);
                     }
                 }
             }
 
             return nodes;
         }
         #endregion
 
         #region 打印十字链表
         /// <summary>
         /// 打印十字链表
         /// </summary>
         /// <param name="nodes"></param>
         public void Print(Node[] nodes)
         {
             var head = nodes[0];
 
             //遍历每一行的right
             for (int i = 1; i < head.rows + 1; i++)
             {
                 var p = nodes[i];
 
                 while (p.right != nodes[i])
                 {
                     Console.WriteLine("({0},{1})\tval => {2}",
                         p.right.rows,
                         p.right.cols,
                         p.right.unit.value);
 
                     //指向下一个节点
                     p = p.right;
                 }
             }
         }
         #endregion
     }
 }