Estructuras de datos: listas enlazadas, pilas y colas

Listas enlazadas.

Introducción

La lista enlazada es un TDA que nos permite almacenar datos de una forma organizada, al igual que los vectores pero, a diferencia de estos, esta estructura es dinámica, por lo que no tenemos que saber "a priori" los elementos que puede contener.

En una lista enlazada, cada elemento apunta al siguiente excepto el último que no tiene sucesor y el valor del enlace es null. Por ello los elementos son registros que contienen el dato a almacenar y un enlace al siguiente elemento. Los elementos de una lista, suelen recibir también el nombre de nodos de la lista.

            struct lista {
            gint dato;                                           (1)
            lista *siguiente;                                    (2)
            };

(1)

(2)

Figura 6-9.1. Esquema de un nodo y una lista enlazada.

lista.png

Para que esta estructura sea un TDA lista enlazada, debe tener unos operadores asociados que permitan la manipulación de los datos que contiene. Los operadores básicos de una lista enlazada son:

Después de esta breve introducción, que sólo pretende servir como recordatorio, pasaremos a ver cómo es la estructura GSList que, junto con el conjunto de funciones que la acompañan, forman el TDA lista enlazada en GLib.

GSList

La definición de la estructura GSList o, lo que es lo mismo, un nodo de la lista, está definido de la siguiente manera:

            struct GSList {
              gpointer data;                                     (3)
              GSList *next;                                      (4)
            };

(3)

(4)

Las macros de conversión disponibles son las siguientes:

Más adelante, en esta misma sección, se verán ejemplos del uso de estas macros.

Las funciones que acompañan a la estructura GSList y que implementan los operadores básicos de las listas enlazadas, son las siguientes:

Tabla 6-9.1. Operadores de inserción en listas enlazadas.

Operador

Funciones asociadas a GSList.

Insertar al principio.

GSList* g_slist_prepend (GSList *list, gpointer data)

Insertar al final.

GSList* g_slist_append (GSList *list, gpointer data)

Insertar en la posición indicada.

GSList* g_slist_insert (GSList *list, gpointer data, gint position)

Insertar en orden.

GSList* g_slist_insert_sorted (GSList *list, gpointer data, GCompareFunc func)

Las funciones de inserción al principio de la lista, g_slist_prepend, y al final, g_slist_append, son sencillas de usar. Sólo hay que pasarles como parámetros la lista donde queremos añadir el dato así como el dato a insertar y la función devuelve una lista con el nuevo dato insertado.

La función g_slist_insert inserta el dato en la posición indicada. Su uso también es sencillo como puede verse en el siguiente ejemplo.

Ejemplo 6-9.1. Insertar un nuevo dato en una posición determinada.

   1     /* obtiene el numero de nodos de la lista */
   2     length = g_slist_length (list);
   3 
   4     g_print ("\nEscribe el nº de indice donde se insertara el dato (el indice maximo es %d): ", length);
   5     scanf ("%d", &index);
   6 
   7     /* inserta el valor en la posicion indicada */
   8 
   9     if (index < length) {
  10       list = g_slist_insert (list, GINT_TO_POINTER (value), index);
  11       print_list (list);
  12         }

En este ejemplo se utiliza la función g_slist_length para obtener el número de nodos que contiene la lista. A esta función hay que pasarle como parámetro la lista de la que se desea obtener el número de nodos y devuelve como resultado el número de nodos de ésta.

guint * g_slist_length ( GSList * list );

La función g_slist_insert_sorted inserta los elementos a la lista de forma ordenada. Esta función utiliza el parámetro GCompareFunc para insertar el dato en la posición correcta.

GCompareFunc es una función que se utiliza para comparar dos valores y saber así cual de ellos hay que insertar primero. En los dos ejemplos que hay a continuación, se puede observar una función de tipo GCompareFunc y su uso para insertar datos en una lista en orden creciente.

Ejemplo 6-9.2. Parámetro GCompareFunc para insertar en orden creciente.

   1 gint compare_value1 (gconstpointer a, gconstpointer b) {
   2   gint *value1 = (gint *) a;
   3   gint *value2 = (gint *) b;
   4 
   5   return value1 > value2;
   6 }

Ejemplo 6-9.3. Insertar elementos en orden creciente.

   1   gint values[] = {8, 14, 5, 12, 1, 27, 3, 13};
   2   gint i;
   3   /* insertando valores en orden creciente */
   4   for (i = 0; i < 8; i++) {
   5     list =  g_slist_insert_sorted (list, GINT_TO_POINTER (values[i]),
   6                                    compare_value1);
   7   }

Tabla 6-9.2. Operadores de eliminación en listas enlazadas.

Operador

Funciones asociadas a GSList.

Eliminar un nodo.

GSList* g_slist_remove (GSList *list, gconstpointer data)

Eliminar nodos según un patrón.

GSList* g_slist_remove_all (GSList *list, gconstpointer data)

Las dos funciones expuestas para la eliminación de nodos, si bien tienen una definición prácticamente idéntica, el resultado obtenido es distinto. En el caso de g_slist_remove, se eliminará el nodo que contenga el valor data. Si hay varios nodos con el mismo valor, sólo se eliminará el primero. Si ningún nodo contiene ese valor, no se realiza ningún cambio en el GSList. En el caso de g_slist_remove_all, se eliminan todos los nodos de la lista que contengan el valor data y nos devuelve la nueva lista resultante de la eliminación de los nodos.

Ejemplo 6-9.4. Elimina un elemento de la lista.

   1   if (list2 != NULL) {
   2     g_print ("\nEl dato %d sera eliminado de la lista.\n", list2->data);
   3 
   4     /* eliminando un elemento de la lista */
   5     g_slist_remove (list, list2->data);
   6    }

Tabla 6-9.3. Operadores de búsqueda en listas enlazadas.

Operador

Funciones asociadas a GSList.

Buscar un nodo según un valor.

GSList* g_slist_find (GSList *list, gconstpointer data)

Buscar un nodo según un criterio.

GSList* g_slist_find_custom (GSList *list, gconstpointer data, GCompareFunc func)

Localizar el índice de un nodo.

GSList* g_slist_index (GSList *list, gconstpointer data)

Localizar la posición de un nodo.

GSList* g_slist_position (GSList *list, GSList *llink)

Obtener el último nodo.

GSList* g_slist_last (GSList *list)

Obtener el siguiente nodo.

g_slist_next (slist)

Obtener un nodo por su posición.

GSList* g_slist_nth (GSList *list, guint n)

Obtener el dato de un nodo según su posición.

gpointer g_slist_nth_data (GSList *list, guint n)

Todas estas funciones, a excepción de g_slist_nth_data, devuelven un nodo de la lista o NULL si el elemento no existe. La función g_slist_nth_data devuelve el valor del elemento según la posición que se le pasa como argumento en el parámetro n o NULL si la posición que se le pasa está más allá del final de la lista.

La función g_slist_next, es una macro que nos devuelve el siguiente nodo. Esta macro la podemos utilizar para recorrer la lista.

Ejemplo 6-9.5. Función que imprime una lista.

   1 void print_list (GSList *list) {
   2 
   3   gint i = 0;
   4 
   5   while (list != NULL) {
   6     g_print ("Node %d content: %d.\n", i, list->data);
   7 
   8     /* apunta al siguiente nodo de la lista */
   9     list = g_slist_next (list);
  10     i++;
  11   }
  12 }

Tabla 6-9.4. Operador para vaciar la lista.

Operador

Funciones asociadas a GSList.

Vacía la lista y libera la memoria usada.

void g_slist_free (GSList *list)

La función g_slist_free libera la memoria de la lista que se le pasa como parámetro.

Con estas funciones, quedan definidos los operadores básicos del TDA lista enlazada. GSList trae otras funciones además de los operadores básicos. Para más información sobre estas, está disponible el manual de referencia de GLib.

Listas doblemente enlazadas.

Introducción.

El TDA lista doblemente enlazada, al igual que la lista enlazada, es un TDA dinámico lineal pero, a diferencia de este, cada nodo de la lista doblemente enlazada contiene dos punteros, de forma que uno apunta al siguiente nodo y el otro al predecesor. Esta característica, permite que se pueda recorrer la lista en ambos sentidos, cosa que no es posible en las listas simples.

La declaración del tipo lista doblemente enlazada de enteros es la siguiente:

            struct lista_doble {
            gint dato;                                           (5)
            lista_doble *siguiente;                              (6)
            lista_doble *anterior;                               (7)
            };

(5)

(6)

(7)

Sobre este TDA se definen los mismos operadores básicos que en las listas simples.

GList

La definición de la estructura GList, que es un nodo de la lista doblemente enlazada, está definido de la siguiente manera:

            struct GList
            {
            gpointer data;                                       (8)
            GList *next;                                         (9)
            GList *prev;                                         (10)
            };

(8)

(9)

(10)

Las funciones que acompañan a la estructura GList, que implementan los operadores básicos de las listas enlazadas, son las siguientes:

Tabla 6-9.5. Operadores de inserción en listas doblemente enlazadas.

Operador

Funciones asociadas a GList

Insertar al principio.

GList* g_list_prepend (GList *list, gpointer data)

Insertar al final.

GList* g_list_append (GList *list, gpointer data)

Insertar en la posición indicada.

GList* g_list_insert (GList *list, gpointer data, gint position)

Insertar en orden.

GList* g_list_insert_sorted (GList *list, gpointer data, GCompareFunc func)

Como puede observarse en la definición de las funciones, su uso es el mismo que en las listas simples, al igual que las macros de conversión, por lo que todo lo explicado en esa sección es válido en el caso de las listas doblemente enlazadas.

Ejemplo 6-9.6. Insertar un nuevo dato en una posición determinada.

   1     /* obtiene el numero de nodos de la lista */
   2     length = g_list_length (list);
   3 
   4     g_print ("\nEscribe el numero de indice donde se insertara el dato (el indice maximo es %d): ", length);
   5     scanf ("%d", &index);
   6 
   7     /* inserta el valor en la posicion indicada */
   8 
   9     if (index < length) {
  10       list = g_list_insert (list, GINT_TO_POINTER (value), index);
  11       print_list (list);
  12         }

Ejemplo 6-9.7. Insertar elementos en orden creciente.

   1   gint values[] = {8, 14, 5, 12, 1, 27, 3, 13};
   2   gint i;
   3 
   4   for (i = 0; i < 8; i++) {
   5     list =  g_list_insert_sorted (list, GINT_TO_POINTER (values[i]),
   6                                    compare_value1);
   7   }

Tabla 6-9.6. Operadores de eliminación en listas doblemente enlazadas.

Operador

Funciones asociadas a GList

Eliminar un nodo.

GList* g_list_remove (GList *list, gconstpointer data)

Eliminar nodos según un patrón.

GList* g_list_remove_all (GList *list, gconstpointer data)

Ejemplo 6-9.8. Eliminar un elemento de la lista.

   1   if (list2 != NULL) {
   2     g_print ("\nEl dato %d sera eliminado de la lista.\n", list2->data);
   3 
   4     /* eliminando un elemento de la lista */
   5     g_list_remove (list, list2->data);
   6     print_list (list);
   7    }

Tabla 6-9.7. Operadores de búsqueda en listas doblemente enlazadas.

Operador

Funciones asociadas a GList.

Buscar un nodo según un valor.

GList* g_list_find (GList *list, gconstpointer data)

Buscar un nodo según un criterio.

GList* g_list_find_custom (GList *list, gconstpointer data, GCompareFunc func)

Localizar el índice de un nodo.

GList* g_list_index (GList *list, gconstpointer data)

Localizar la posición de un nodo.

GList* g_list_position (GList *list, GSList *llink)

Obtener el último nodo.

GList* g_list_last (GList *list)

Obtener el siguiente nodo.

g_list_next (list)

Obtener un nodo por su posición.

GList* g_list_nth (GList *list, guint n)

Obtener el dato de un nodo según su posición.

gpointer g_list_nth_data (GList *list, guint n)

Ejemplo 6-9.9. Busca un valor dado en la lista.

   1   g_print ("\nEntra un valor entero a buscar: ");
   2   scanf ("%d", &value);
   3   g_print ("\n");
   4 
   5   /* buscando un elemento en la lista */
   6   list2 = g_list_find (list, GINT_TO_POINTER (value));
   7 
   8   if (list2 != NULL) {
   9     index = g_list_index (list, list2->data);
  10     g_print ("\nEl valor %d esta en el nodo %d.\n", list2->data, index);

Tabla 6-9.8. Operador para vaciar la lista

Operador

Funciones asociadas a GList

Vacía la lista y libera la memoria usada.

void g_list_free (GList *list)

Con estas funciones, quedan definidos los operadores básicos del TDA lista enlazada. Al igual que GSList, GList trae otras funciones además de los operadores básicos. Para más información sobre estas, está disponible el manual de referencia de GLib.

GQueue: pilas y colas.

Otra de las novedades que incorpora esta versión de GLib es la estructura GQueue que, junto con las funciones que la acompañan, nos proporciona la posibilidad de implementar los TDA cola y pila estándar.

GQueue utiliza estructuras GList para almacenar los elementos. La declaración de la estructura de datos es la siguiente.

            struct GQueue {
               GList  *head;                                     (11)
               GList  *tail;                                     (12)
               guint length;                                     (13)
               };

(11)

(12)

(13)

Aunque para referirnos al TDA GQueue utilizamos el término cola, con esta misma estructura también tenemos la posibilidad de implementar el TDA pila, gracias a las funciones que lo acompañan.

Colas

Una cola es una estructura de datos donde el primer elemento en entrar es el primero en salir, también denominadas estructuras FIFO (First In, First Out).

Esta estructura de datos se puede definir como una lista enlazada con acceso FIFO a la que sólo se tiene acceso al final de la lista para meter elementos y al principio de esta para sacarlos.

Los operadores asociados a este TDA y las funciones que los implementan en GLib son:

Tabla 6-9.9. Operadores asociados al TDA Cola.

Operador

Funciones asociadas a GQueue.

Iniciar cola.

GQueue* g_queue_new (void)

Cola vacía.

gboolean g_queue_is_empty (GQueue* queue)

Consultar frente cola.

gpointer g_queue_peek_head (GQueue* queue)

Consultar final cola.

gpointer g_queue_peek_tail (GQueue* queue)

Meter

void g_queue_push_tail (GQueue* queue, gpointer data)

Sacar

gpointer g_queue_pop_head (GQueue* queue)

Vaciar cola.

void g_queue_free (GQueue* queue)

Iniciar cola.

El operador "Iniciar cola" es el encargado de crear una nueva cola y ponerla en estado de cola vacía.

Ejemplo 6-9.10. Creando una nueva cola.

   1    GQueue* cola;
   2    cola = g_queue_new ();

Cola vacía.

Este operador consulta si la cola está vacía. Es necesaria su utilización antes de realizar la operación de "sacar elementos" de la cola.

Ejemplo 6-9.11. Función que comprueba si una cola está vacía.

   1 gboolean cola_vacia (GQueue* cola) {
   2    return g_queue_is_empty (cola);
   3 }

Consultar el frente.

Esta operación consulta el contenido del frente de la cola sin sacarlo.

Ejemplo 6.9-12. Función que consulta el frente de la cola.

   1 gpointer consultar_frente (GQueue* cola) {
   2    return g_queue_peek_head (cola);
   3 }

Consultar el final.

Esta operación consulta el contenido del final de la cola sin sacarlo.

Ejemplo 6-9.13. Función que consulta el final de la cola.

   1 gpointer consultar_final (GQueue* cola) {
   2    return g_queue_peek_tail (cola);
   3 }

Meter

Este operador introduce elementos al final de la cola.

Ejemplo 6-9.14. Introducir un nuevo elemento en la cola.

   1 GQueue* meter_cola (GQueue* cola, gpointer dato) {
   2    g_queue_push_tail (cola, dato);
   3 
   4    return cola;
   5 }

Sacar

El operador "sacar" elimina elementos del frente de la cola.

Ejemplo 6-9.15. Saca un elemento de la cola.

   1 gpointer sacar_cola (GQueue* cola) {
   2    gpointer dato;
   3 
   4    dato = g_queue_pop_head (cola);
   5 
   6    return dato;
   7 }

Vaciar cola.

Elimina el contenido de una cola inicializándola a una cola vacía.

Ejemplo 6-9.16. Vacía la cola.

   1   g_queue_free (cola);

Pilas

Una pila, es una estructura de datos en la que el último elemento en entrar es el primero en salir, por lo que también se denominan estructuras LIFO (Last In, First Out).

En esta estructura sólo se tiene acceso a la cabeza o cima de la pila.

Los operadores asociados a este TDA y las funciones que los implementan en GLib son:

Tabla 6-9.10. Operadores asociados al TDA Pila.

Operador

Funciones asociadas a GQueue.

Iniciar pila.

GQueue* g_queue_new (void)

Pila vacía.

gboolean g_queue_is_empty (GQueue* queue)

Consultar pila.

gpointer g_queue_peek_head (GQueue* queue)

Meter.

void g_queue_push_head (GQueue* queue, gpointer data)

Sacar.

gpointer g_queue_pop_head (GQueue* queue)

Vaciar pila.

void g_queue_free (GQueue* queue)

Iniciar pila.

El operador "iniciar pila" es el encargado de crear una nueva pila y inicializarla al estado de pila vacía.

Ejemplo 6-9.17. Creando una nueva pila.

   1    GQueue* pila;
   2    pila = g_queue_new ();

Pila vacía.

Este operador consulta si la pila está vacía. Es necesaria su utilización antes de realizar la operación de sacar elementos de la pila.

Ejemplo 6-9.18. Función que comprueba si una pila está vacía.

   1 gboolean pila_vacia (GQueue* pila) {
   2    return g_queue_is_empty (pila);
   3 }

Consultar pila.

Esta operación, consulta el contenido de la cima de la pila sin sacarlo.

Ejemplo 6-9.19. Función que consulta la cima de la pila.

   1 gpointer consultar_pila (GQueue* pila) {
   2    return g_queue_peek_head (pila);
   3 }

Meter

El operador "meter", introduce elementos en la cima de la pila.

Ejemplo 6-9.20. Introducir un nuevo elemento en la pila.

   1 GQueue* meter_pila (GQueue* pila, gpointer dato) {
   2    g_queue_push_head (pila, dato);
   3 
   4    return pila;
   5 }

Sacar

El operador sacar, saca elementos de la cima de la pila.

Ejemplo 6-9.21. Saca un elemento de la pila.

   1 gpointer sacar_pila (GQueue* pila) {
   2    gpointer dato;
   3 
   4    dato = g_queue_pop_head (pila);
   5 
   6    return dato;
   7 }

Vaciar pila.

Elimina el contenido de una pila inicializándola a una pila vacía.

Ejemplo 6-9.22. Vacía la pila

   1   g_queue_free (pila);


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