文心一言 VS 讯飞星火 VS chatgpt （119）-- 算法导论10.3 4题

福大大架构师每日一题2023-10-23 14:57

四、用go语言，我们往往希望双向链表的所有元素在存储器中保持紧凑，例如，在多数组表示中占用前m 个下标位置。(在页式虚拟存储的计算环境下，即为这种情况。)假设除指向链表本身的指针外没有其他指针指向该链表的元素，试说明如何实现过程ALLOCATE-OBIECT和 FREE-OBJECT，使得该表示保持紧凑。(提示:使用栈的数组实现。)

文心一言：

在Go语言中，我们可以使用一种称为"栈的数组"的结构来实现这种紧凑的存储。在这种表示中，数组的元素按照它们被分配的顺序存储，并且分配和释放操作都通过栈来进行，这样可以保证所有元素在存储器中保持紧凑。

首先，我们需要定义链表节点的数据结构，通常包含数据本身和指向下一个节点的指针。此外，为了便于实现，我们还需要一个栈来跟踪可用节点。

go 复制代码 
type Node struct {  
    data int  
    next *Node  
}  
  
type Stack struct {  
    top *Node  
    len int  
}

然后我们可以实现ALLOCATE-OBJECT和FREE-OBJECT过程。在ALLOCATE-OBJECT过程中，我们首先检查栈是否为空，如果为空，我们创建一个新的节点并将其推入栈中。否则，我们从栈顶弹出一个节点并将其数据设置为所需的值。在FREE-OBJECT过程中，我们将节点推入栈中以使其可供以后重新使用。

go 复制代码 
func ALLOCATE-OBJECT(x int) *Node {  
    if stack.len == 0 {  
        stack.top = &Node{data: x, next: nil}  
        stack.len = 1  
        return stack.top  
    } else {  
        node := stack.top  
        stack.top = node.next  
        node.data = x  
        node.next = nil  
        stack.len++  
        return node  
    }  
}  
  
func FREE-OBJECT(node *Node) {  
    node.next = stack.top  
    stack.top = node  
    stack.len--  
}

这种实现方式可以保证链表元素的存储是紧凑的，因为所有节点都存储在连续的内存位置。此外，由于我们使用栈来实现分配和释放过程，所以这些操作都是O(1)时间复杂度。

讯飞星火：

要实现双向链表的紧凑表示，我们可以使用栈的数组来实现。首先，我们需要定义一个结构体来表示双向链表的节点，包含前驱、后继和数据。然后，我们需要实现两个函数：ALLOCATE-OBJECT 和 FREE-OBJECT。

  1. ALLOCATE-OBJECT：这个函数用于分配一个新的节点，并将其添加到链表中。为了保持紧凑表示，我们需要确保新节点的前驱和后继指针指向正确的位置。具体来说，新节点的前驱指针应该指向当前链表的最后一个节点，后继指针应该指向nullptr。同时，我们需要更新链表的尾部指针。

  2. FREE-OBJECT：这个函数用于释放一个节点，并从链表中移除它。为了保持紧凑表示，我们需要确保被释放节点的前驱和后继指针仍然指向正确的位置。具体来说，如果被释放节点是链表的第一个节点，那么我们需要将链表的头部指针更新为nullptr；否则，我们需要更新被释放节点的前驱节点的后继指针。最后，我们需要更新链表的尾部指针。

以下是用Go语言实现的代码：

go 复制代码 
package main

import "fmt"

type Node struct {
    prev *Node
    next *Node
    data int
}

var head *Node
var tail *Node

func AllocateObject(data int) *Node {
    newNode := &Node{
        prev: nil,
        next: nil,
        data: data,
    }

    if head == nil {
        head = newNode
        tail = newNode
    } else {
        newNode.prev = tail
        tail.next = newNode
        tail = newNode
    }

    return newNode
}

func FreeObject(node *Node) {
    if node == head {
        head = node.next
    }

    if node == tail {
        tail = node.prev
    }

    if node.prev != nil {
        node.prev.next = node.next
    }

    if node.next != nil {
        node.next.prev = node.prev
    }
}

func main() {
    node1 := AllocateObject(1)
    node2 := AllocateObject(2)
    node3 := AllocateObject(3)

    fmt.Println("Before freeing:")
    printList()

    FreeObject(node2)

    fmt.Println("After freeing:")
    printList()
}

func printList() {
    temp := head
    for temp != nil {
        fmt.Printf("%d -> ", temp.data)
        temp = temp.next
    }
    fmt.Println("nil")
}

在这个例子中，我们首先创建了一个双向链表，然后释放了第二个节点。在释放节点之前和之后，我们都打印了链表的内容，以验证双向链表的紧凑表示是否得到了保持。

360智脑：

这个问题涉及到内存分配和释放，以及栈的数组实现。在Go语言中，可以使用malloc和free函数进行内存的分配和释放。但是，使用malloc和free可能会导致内存碎片，影响程序的性能。因此，可以考虑使用栈的数组来实现内存的分配和释放。

首先，需要定义一个Object类型来表示双向链表的元素。然后，可以创建一个栈来存储链表的元素。每当新的元素被添加到链表中时，将其压入栈中。当需要删除链表中的某个元素时，将其从栈中弹出。在遍历链表时，可以使用栈的出栈操作来访问链表中的元素。

下面是一个简单的示例代码：

go 复制代码 
package main

import "fmt"

type Object struct {
    val int
}

func AllocateObject() *Object {
    // 分配内存空间
}

func FreeObject(obj *Object) {
    // 释放内存空间
}

func AddObject(head *Object, val int) {
    // 将新元素压入栈中
    stack := &Object{}
    *stack = *head
    (*stack).val = val
    (*stack).next = head
    head = *stack
}

func DelObject(head *Object, val int) {
    // 将元素从栈中弹出并替换链表中对应的元素
    stack := &Object{}
    *stack = *head
    if *stack.val == val {
        (*stack).val = (*stack).next.val
        (*stack).next = (*stack).next.next
        head = *stack
    } else {
        for *stack.val != val {
            stack = stack.next
        }
    }
}

func ShowObject(head *Object) {
    // 遍历链表并输出元素值
    for head != nil {
        fmt.Println(head.val)
        head = head.next
    }
}

func main() {
    head := &Object{val: 0}
    AddObject(head, 1)
    AddObject(head, 2)
    AddObject(head, 3)
    AddObject(head, 4)
    AddObject(head, 5)
    DelObject(head, 2)
    ShowObject(head)
}

在这个示例中，AllocateObject函数用于分配内存空间，FreeObject函数用于释放内存空间，AddObject函数用于将新元素压入栈中，DelObject函数用于将元素从栈中弹出并替换链表中对应的元素，ShowObject函数用于遍历链表并输出元素值。这些函数的具体实现取决于具体的应用场景和要求。

智谱清言：

在 Go 语言中，我们可以使用栈数组来实现紧凑存储的双向链表。首先，我们需要定义一个结构体来表示链表的节点，包含指向前后节点的指针以及需要存储的对象本身。接着，我们实现 ALLOCATE-OBJECT 和 FREE-OBJECT 过程，分别用于创建和释放链表节点。

以下是一种可能的实现方式：

go 复制代码 
package main
import "fmt"
type Node struct {  
	Data    interface{}  
	Next    *Node  
	Prev    *Node  
	FreeNext *Node  
}
func AllocateObject(stack []*Node, size int) *Node {  
	if len(stack) < size+1 {  
		stack = append(stack, nil)  
	}  
	node := stack[size]  
	node.Next = stack[size-1]  
	node.Prev = nil  
	node.FreeNext = nil  
	if node.Next != nil {  
		node.Next.Prev = node  
	}  
	return node  
}
func FreeObject(stack []*Node, node *Node) {  
	if node.Prev != nil {  
		node.Prev.Next = node.Next  
	} else {  
		stack = stack[:len(stack)-1]  
	}  
	if node.Next != nil {  
		node.Next.Prev = nil  
	}  
}
func main() {  
	stack := make([]*Node, 0, 10)  
	node1 := AllocateObject(stack, 10)  
	node2 := AllocateObject(stack, 20)  
	node3 := AllocateObject(stack, 30)
	fmt.Println("链表节点：", node1, node2, node3)
	FreeObject(stack, node2)  
	fmt.Println("链表节点：", node1, node3)  
}

在这个例子中，我们使用栈数组来存储链表的节点。当需要创建新的节点时，我们使用 AllocateObject 函数，将新节点插入到栈顶。当需要释放节点时，我们使用 FreeObject 函数，将节点从栈中移除。这样，链表的元素在存储器中保持紧凑。

通义千问：

在这个问题中，我们可以使用栈的数组来实现双向链表的分配和释放。首先，我们需要定义一个双向链表节点的数据结构：

go 复制代码 
type Node struct {
    Next *Node
    Prev *Node
    Data int
}

然后，我们可以定义一个栈的数组来存储双向链表的节点：

go 复制代码 
var stack [N]Node

其中，N是我们希望存储的节点的最大数量。

在ALLOCATE-OBJECT函数中，我们需要分配一个新的节点。首先，我们需要检查栈是否已满。如果已满，我们就返回一个错误。否则，我们就从栈顶弹出一个节点，然后将其数据字段设置为新的值，最后返回这个节点。

go 复制代码 
func ALLOCATE-OBJECT(value int) *Node {
    if len(stack) == N {
        return nil
    }
    top := &stack[len(stack)-1]
    top.Data = value
    return top
}

在FREE-OBJECT函数中，我们需要释放一个节点。首先，我们需要找到这个节点，然后将其从栈中删除。如果这个节点没有前驱节点，我们就将栈顶节点的前驱指针设置为nil。如果这个节点没有后继节点，我们就将栈顶节点的后继指针设置为nil。

go 复制代码 
func FREE-OBJECT(node *Node) {
    if node.Prev != nil {
        node.Prev.Next = nil
    } else {
        stack[len(stack)-1].Next = nil
    }
    if node.Next != nil {
        node.Next.Prev = nil
    } else {
        stack[len(stack)-1].Prev = nil
    }
    stack[len(stack)-1] = *node
}

这样，我们就可以通过栈的数组实现双向链表的分配和释放，并保持链表的所有元素在存储器中保持紧凑。

天工：

在实现双向链表时，我们可以使用一个栈的数组来实现元素的存储和管理。栈的数组可以通过下标来访问元素，因此可以很好地保持元素在存储器中的紧凑表示。

具体来说，我们可以将每个元素表示为一个包含以下字段的结构体：

  • value：元素的值

  • prev：指向前一个元素的指针

  • next：指向后一个元素的指针

我们可以使用一个大小为n的栈的数组来存储这些元素，其中n是链表的长度。栈的数组的下标范围为[1, n]，因为下标0用于表示链表的头部。

在实现ALLOCATE-OBJECT过程时，我们可以按照以下步骤进行：

1.检查栈的数组是否已满。如果已满，则返回一个错误。

2.分配一个新元素的空间，并将其初始化为一个新的双向链表节点。

3.将新节点的prev和next指针设置为相应的NULL值。

4.将新节点的值设置为输入参数value。

5.将新节点的下标设置为栈的数组的最后一个下标+1。

6.将新节点的prev指针设置为栈的数组中最后一个元素的next指针。

7.将新节点的next指针设置为NULL。

8.将栈的数组中最后一个元素的next指针设置为新节点。

9.返回新节点的下标。

在实现FREE-OBJECT过程时，我们可以按照以下步骤进行：

1.检查输入参数是否为NULL。如果是，则返回一个错误。

2.检查输入参数的下标是否在栈的数组的范围内。如果不是，则返回一个错误。

3.获取输入参数的前一个节点的指针prev和后一个节点的指针next。

4.将输入参数的prev指针设置为NULL，将输入参数的next指针设置为NULL。

5.将栈的数组中输入参数的下标处的元素的prev指针设置为输入参数的next指针。

6.将栈的数组中输入参数的下标处的元素的next指针设置为输入参数的prev指针。

7.返回输入参数的下标。

通过这种方式，我们可以在保持元素紧凑表示的同时，实现双向链表的所有操作。

chatgpt：

要实现双向链表的紧凑存储，可以使用栈的数组实现。下面是ALLOCATE-OBJECT和FREE-OBJECT的示例实现：

go 复制代码 
type ListNode struct {
    prev, next int // 存储前驱和后继节点在数组中的索引位置
    // 其他数据字段
}

type CompactLinkedList struct {
    stack []int // 空闲节点的索引栈
    nodes []ListNode // 双向链表节点数组
    head, tail int // 头尾指针，记录链表头尾节点在数组中的索引位置
}

func NewCompactLinkedList(capacity int) *CompactLinkedList {
    ll := &CompactLinkedList{
        stack: make([]int, 0),
        nodes: make([]ListNode, capacity),
        head:  -1,
        tail:  -1,
    }
    
    for i := capacity - 1; i >= 0; i-- {
        ll.stack = append(ll.stack, i)
    }
    
    return ll
}

func (ll *CompactLinkedList) ALLOCATE_OBJECT() (*ListNode, bool) {
    if len(ll.stack) == 0 {
        return nil, false // 栈空，无法分配新节点
    }
    
    index := ll.stack[len(ll.stack)-1] // 弹出栈顶元素作为新节点索引
    
    if ll.head == -1 && ll.tail == -1 { // 链表为空时，更新头尾指针
        ll.head = index
        ll.tail = index
    } else { // 链表非空时，更新原尾节点和新节点之间的链接关系
        ll.nodes[ll.tail].next = index
        ll.nodes[index].prev = ll.tail
        ll.tail = index
    }
    
    ll.stack = ll.stack[:len(ll.stack)-1] // 弹出栈顶元素
    
    return &ll.nodes[index], true
}

func (ll *CompactLinkedList) FREE_OBJECT(node *ListNode) bool {
    if node == nil {
        return false // 节点为空，无法释放
    }
    
    index := node.prev // 获取节点在数组中的索引位置
    
    if node.prev == -1 && node.next == -1 { // 节点为链表唯一节点时，更新头尾指针
        ll.head = -1
        ll.tail = -1
    } else if node.prev == -1 { // 节点为头节点时，更新头指针和原下一个节点的前驱指针为-1
        nextIndex := node.next
        ll.head = nextIndex
        ll.nodes[nextIndex].prev = -1
    } else if node.next == -1 { // 节点为尾节点时，更新尾指针和原前驱节点的后继指针为-1
        prevIndex := node.prev
        ll.tail = prevIndex
        ll.nodes[prevIndex].next = -1 
    } else { // 节点位于链表中间时，更新原前驱节点和后继节点之间的链接关系
        prevIndex := node.prev 
		nextIndex := node.next 
		
		ll.nodes[prevIndex].next=nextIndex;
		ll.nodes[nextIndex].prev=prevIndex;
        
    }
    
    ll.stack = append(ll.stack, index) // 将释放的节点索引入栈
    
    return true
}

以上是一个基于栈的数组实现的紧凑双向链表。通过ALLOCATE_OBJECT方法可以分配新节点，FREE_OBJECT方法可以释放节点。该实现将所有元素存储在紧凑的连续内存中，并使用栈来管理空闲节点。

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