18 题目：下面是一个数组类的声明与实现。请分析这个类有什么问题，并针对存在的问题提出几种解决方案。
template<typename T> class Array
{
public:
Array(unsigned arraySize):data(0), size(arraySize)
{
if(size > 0)
data = new T[size];
}
~Array()
{
if(data) delete[] data;
}
void setValue(unsigned index, const T& value)
{
if(index < size)
data[index] = value;
}
T getValue(unsigned index) const
{
if(index < size)
return data[index];
else
return T();
}
private:
T* data;
unsigned size;
};
分析：我们注意在类的内部封装了用来存储数组数据的指针。软件存在的大部分问题通常都可以归结指针的不正确处理。
这个类只提供了一个构造函数，而没有定义构造拷贝函数和重载拷贝运算符函数。当这个类的用户按照下面的方式声明并实例化该类的一个实例
Array A(10);
Array B(A);
或者按照下面的方式把该类的一个实例赋值给另外一个实例
Array A(10);
Array B(10);
B=A;
编译器将调用其自动生成的构造拷贝函数或者拷贝运算符的重载函数。在编译器生成的缺省的构造拷贝函数和拷贝运算符的重载函数，对指针实行的是按位拷贝，仅仅只是拷贝指针的地址，而不会拷贝指针的内容。因此在执行完前面的代码之后，A.data和B.data指向的同一地址。当A或者B中任意一个结束其生命周期调用析构函数时，会删除data。由于他们的data指向的是同一个地方，两个实例的data都被删除了。但另外一个实例并不知道它的data已经被删除了，当企图再次用它的data的时候，程序就会不可避免地崩溃。
由于问题出现的根源是调用了编译器生成的缺省构造拷贝函数和拷贝运算符的重载函数。一个最简单的办法就是禁止使用这两个函数。于是我们可以把这两个函数声明为私有函数，如果类的用户企图调用这两个函数，将不能通过编译。实现的代码如下：
private:
Array(const Array& copy);
const Array& operator = (const Array& copy);
最初的代码存在问题是因为不同实例的data指向的同一地址，删除一个实例的data会把另外一个实例的data也同时删除。因此我们还可以让构造拷贝函数或者拷贝运算符的重载函数拷贝的不只是地址，而是数据。由于我们重新存储了一份数据，这样一个实例删除的时候，对另外一个实例没有影响。这种思路我们称之为深度拷贝。实现的代码如下：
public:
Array(const Array& copy):data(0), size(copy.size)
{
if(size > 0)
{
data = new T[size];
for(int i = 0; i < size; ++ i)
setValue(i, copy.getValue(i));
}
}
const Array& operator = (const Array& copy)
{
if(this == ©)
return *this;
if(data != NULL)
{
delete []data;
data = NULL;
}
size = copy.size;
if(size > 0)
{
data = new T[size];
for(int i = 0; i < size; ++ i)
setValue(i, copy.getValue(i));
}
}
为了防止有多个指针指向的数据被多次删除，我们还可以保存究竟有多少个指针指向该数据。只有当没有任何指针指向该数据的时候才可以被删除。这种思路通常被称之为引用计数技术。在构造函数中，引用计数初始化为1；每当把这个实例赋值给其他实例或者以参数传给其他实例的构造拷贝函数的时候，引用计数加1，因为这意味着又多了一个实例指向它的data；每次需要调用析构函数或者需要把data赋值为其他数据的时候，引用计数要减1，因为这意味着指向它的data的指针少了一个。当引用计数减少到0的时候，data已经没有任何实例指向它了，这个时候就可以安全地删除。实现的代码如下：
public:
Array(unsigned arraySize)
:data(0), size(arraySize), count(new unsigned int)
{
*count = 1;
if(size > 0)
data = new T[size];
}
Array(const Array& copy)
: size(copy.size), data(copy.data), count(copy.count)
{
++ (*count);
}
~Array()
{
Release();
}
const Array& operator = (const Array& copy)
{
if(data == copy.data)
return *this;
Release();
data = copy.data;
size = copy.size;
count = copy.count;
++(*count);
}
private:
void Release()
{
--(*count);
if(*count == 0)
{
if(data)
{
delete []data;
data = NULL;
}
delete count;
count = 0;
}
}
unsigned int *count;
template<typename T> class Array
{
public:
Array(unsigned arraySize):data(0), size(arraySize)
{
if(size > 0)
data = new T[size];
}
~Array()
{
if(data) delete[] data;
}
void setValue(unsigned index, const T& value)
{
if(index < size)
data[index] = value;
}
T getValue(unsigned index) const
{
if(index < size)
return data[index];
else
return T();
}
private:
T* data;
unsigned size;
};
分析：我们注意在类的内部封装了用来存储数组数据的指针。软件存在的大部分问题通常都可以归结指针的不正确处理。
这个类只提供了一个构造函数，而没有定义构造拷贝函数和重载拷贝运算符函数。当这个类的用户按照下面的方式声明并实例化该类的一个实例
Array A(10);
Array B(A);
或者按照下面的方式把该类的一个实例赋值给另外一个实例
Array A(10);
Array B(10);
B=A;
编译器将调用其自动生成的构造拷贝函数或者拷贝运算符的重载函数。在编译器生成的缺省的构造拷贝函数和拷贝运算符的重载函数，对指针实行的是按位拷贝，仅仅只是拷贝指针的地址，而不会拷贝指针的内容。因此在执行完前面的代码之后，A.data和B.data指向的同一地址。当A或者B中任意一个结束其生命周期调用析构函数时，会删除data。由于他们的data指向的是同一个地方，两个实例的data都被删除了。但另外一个实例并不知道它的data已经被删除了，当企图再次用它的data的时候，程序就会不可避免地崩溃。
由于问题出现的根源是调用了编译器生成的缺省构造拷贝函数和拷贝运算符的重载函数。一个最简单的办法就是禁止使用这两个函数。于是我们可以把这两个函数声明为私有函数，如果类的用户企图调用这两个函数，将不能通过编译。实现的代码如下：
private:
Array(const Array& copy);
const Array& operator = (const Array& copy);
最初的代码存在问题是因为不同实例的data指向的同一地址，删除一个实例的data会把另外一个实例的data也同时删除。因此我们还可以让构造拷贝函数或者拷贝运算符的重载函数拷贝的不只是地址，而是数据。由于我们重新存储了一份数据，这样一个实例删除的时候，对另外一个实例没有影响。这种思路我们称之为深度拷贝。实现的代码如下：
public:
Array(const Array& copy):data(0), size(copy.size)
{
if(size > 0)
{
data = new T[size];
for(int i = 0; i < size; ++ i)
setValue(i, copy.getValue(i));
}
}
const Array& operator = (const Array& copy)
{
if(this == ©)
return *this;
if(data != NULL)
{
delete []data;
data = NULL;
}
size = copy.size;
if(size > 0)
{
data = new T[size];
for(int i = 0; i < size; ++ i)
setValue(i, copy.getValue(i));
}
}
为了防止有多个指针指向的数据被多次删除，我们还可以保存究竟有多少个指针指向该数据。只有当没有任何指针指向该数据的时候才可以被删除。这种思路通常被称之为引用计数技术。在构造函数中，引用计数初始化为1；每当把这个实例赋值给其他实例或者以参数传给其他实例的构造拷贝函数的时候，引用计数加1，因为这意味着又多了一个实例指向它的data；每次需要调用析构函数或者需要把data赋值为其他数据的时候，引用计数要减1，因为这意味着指向它的data的指针少了一个。当引用计数减少到0的时候，data已经没有任何实例指向它了，这个时候就可以安全地删除。实现的代码如下：
public:
Array(unsigned arraySize)
:data(0), size(arraySize), count(new unsigned int)
{
*count = 1;
if(size > 0)
data = new T[size];
}
Array(const Array& copy)
: size(copy.size), data(copy.data), count(copy.count)
{
++ (*count);
}
~Array()
{
Release();
}
const Array& operator = (const Array& copy)
{
if(data == copy.data)
return *this;
Release();
data = copy.data;
size = copy.size;
count = copy.count;
++(*count);
}
private:
void Release()
{
--(*count);
if(*count == 0)
{
if(data)
{
delete []data;
data = NULL;
}
delete count;
count = 0;
}
}
unsigned int *count;
19 题目：用两个栈实现一个队列
20 题目：输入一个链表的头结点，反转该链表，并返回反转后链表的头结点。链表结点定义如下：
struct ListNode
{
int m_nKey;
ListNode* m_pNext;
};
分析：这是一道广为流传的微软面试题。由于这道题能够很好的反应出程序员思维是否严密，在微软之后已经有很多公司在面试时采用了这道题。
为了正确地反转一个链表，需要调整指针的指向。与指针操作相关代码总是容易出错的，因此最好在动手写程序之前作全面的分析。在面试的时候不急于动手而是一开始做仔细的分析和设计，将会给面试官留下很好的印象，因为在实际的软件开发中，设计的时间总是比写代码的时间长。与其很快地写出一段漏洞百出的代码，远不如用较多的时间写出一段健壮的代码。
为了将调整指针这个复杂的过程分析清楚，我们可以借助图形来直观地分析。假设下图中l、m和n是三个相邻的结点：
aßbß…ßl mànà…
假设经过若干操作，我们已经把结点l之前的指针调整完毕，这些结点的m_pNext指针都指向前面一个结点。现在我们遍历到结点m。当然，我们需要把调整结点的m_pNext指针让它指向结点l。但注意一旦调整了指针的指向，链表就断开了，如下图所示：
aßbß…lßm nà…
因为已经没有指针指向结点n，我们没有办法再遍历到结点n了。因此为了避免链表断开，我们需要在调整m的m_pNext之前要把n保存下来。
接下来我们试着找到反转后链表的头结点。不难分析出反转后链表的头结点是原始链表的尾位结点。什么结点是尾结点？就是m_pNext为空指针的结点。
基于上述分析，我们不难写出如下代码：
///////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Reverse a list iteratively
// Input: pHead - the head of the original list
// Output: the head of the reversed head
///////////////////////////////////////////////////////////////////////
ListNode* ReverseIteratively(ListNode* pHead)
{
ListNode* pReversedHead = NULL;
ListNode* pNode = pHead;
ListNode* pPrev = NULL;
while(pNode != NULL)
{
// get the next node, and save it at pNext
ListNode* pNext = pNode->m_pNext;
// if the next node is null, the currect is the end of original
// list, and it's the head of the reversed list
if(pNext == NULL)
pReversedHead = pNode;
// reverse the linkage between nodes
pNode->m_pNext = pPrev;
// move forward on the the list
pPrev = pNode;
pNode = pNext;
}
return pReversedHead;
}
扩展：本题也可以递归实现。感兴趣的读者请自己编写递归代码。
22 题目：定义字符串的左旋转操作：把字符串前面的若干个字符移动到字符串的尾部。如把字符串abcdef左旋转2位得到字符串cdefab。请实现字符串左旋转的函数。要求时间对长度为n的字符串操作的复杂度为O(n)，辅助内存为O(1)。
分析：如果不考虑时间和空间复杂度的限制，最简单的方法莫过于把这道题看成是把字符串分成前后两部分，通过旋转操作把这两个部分交换位置。于是我们可以新开辟一块长度为n+1的辅助空间，把原字符串后半部分拷贝到新空间的前半部分，在把原字符串的前半部分拷贝到新空间的后半部分。不难看出，这种思路的时间复杂度是O(n)，需要的辅助空间也是O(n)。
接下来的一种思路可能要稍微麻烦一点。我们假设把字符串左旋转m位。于是我们先把第0个字符保存起来，把第m个字符放到第0个的位置，在把第2m个字符放到第m个的位置…依次类推，一直移动到最后一个可以移动字符，最后在把原来的第0个字符放到刚才移动的位置上。接着把第1个字符保存起来，把第m+1个元素移动到第1个位置…重复前面处理第0个字符的步骤，直到处理完前面的m个字符。
该思路还是比较容易理解，但当字符串的长度n不是m的整数倍的时候，写程序会有些麻烦，感兴趣的朋友可以自己试一下。由于下面还要介绍更好的方法，这种思路的代码我就不提供了。
我们还是把字符串看成有两段组成的，记位XY。左旋转相当于要把字符串XY变成YX。我们先在字符串上定义一种翻转的操作，就是翻转字符串中字符的先后顺序。把X翻转后记为XT。显然有(XT)T=X。
我们首先对X和Y两段分别进行翻转操作，这样就能得到XTYT。接着再对XTYT进行翻转操作，得到(XTYT)T=(YT)T(XT)T=YX。正好是我们期待的结果。
分析到这里我们再回到原来的题目。我们要做的仅仅是把字符串分成两段，第一段为前面m个字符，其余的字符分到第二段。再定义一个翻转字符串的函数，按照前面的步骤翻转三次就行了。时间复杂度和空间复杂度都合乎要求。
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