1.块状链表的基本思想
常见的线性表结构修改操作有:再某一位置后插入一段数,从某一位置开始删除连续若干个数,我们不妨先来看看数组和链表这两种常用线性结构的实现效果。
可见,它们各有各的优势和缺点,且恰巧是优势互补。我们不禁想,如果把两者结合起来,是不是会有更优异的表现?块状链表正好是基于这个思想,将数组和链表结合了起来。块状链表整体上看其结构是一个链表,链表上每个节点存放着一段数组,链表上每个节点的数据拼接起来就是原先的整个线性表的内容,“块状”一词由此而来。
块状链表的基本组织形式,假设链表中每个节点所维护的数组的大小为S,那么,一共需要维护C快,满足SC=n(为了计算方便,如果n不是S的倍数,不妨在最后补齐相应数量的空位),n为要维护的元素总个数。按照这种方式分块,我们来看一下块状链表在上述三种操作中的表现。
(1)定位:定位时需要沿着链表的指针依次查找。假设查询数组中第P个数,那么需要找到块Bt,使得t
S<P并且(t+1)S>=P。所以,查询的时间复杂度与块数同阶,为O(C)。当然,你也许会像维护一个反向的索引,即在外部用数组维护链表节点的顺序,这样就可以二分查找了。不过由于块状链表是动态的,每次修改后这个数组又需重新维护,维护这个数组的时间复杂度仍然是O(C)。
(2)插入:插入时间显然与插入的数的个数有关,为了考察块状链表本身,我们忽略这一点。首先,需要花费O(C)的时间定位到要插入的位置,接下来插入的主要时间消耗来源于块的分裂———因为大多数情况会在块内某处插入,而分裂的时间复杂度与块的大小相关,即O(S)。
(3)删除:同样先花费O(C)的时间定位,如果整块被删除,那么只需要O(1)的时间,而块的一部分被删除的话,我们就需要把块分裂,这一步的时间复杂度同样与 块的大小相关,为O(S).
综上所述,插入与删除的时间复杂度仍然为O(S+C),S
C=n,由基本不等式可知。当S=C=n的1/2的时候,S+C取得最小值。故理论上,块状链表的插入和删除操作的时间复杂度均为O(n的1/2),那么,我们如何在插入,删除等操作之后仍然保持每块大小约为n的1/2呢?以及针对于此的维护操作又有怎样的时间复杂度呢?

2.块状链表的基本操作
为了使得块状链表每次插入和删除操作的时间复杂度为理论最优值O(n的1/2),我们要保证块的大小在一定范围内。我们一般维持每个块的大小S在区间[(n的1/2)/2,n的1/2]之中,这样,块数C也在区间[n的1/2,2n的1/2]中,因此块状链表不会退化。本文中,我们采用另外一种方式来维持这种性质:保证任何相邻两块的大小加起来大于n的1/2,并且每块大小不超过n的1/2,这种方法能保证块数C在区间[n的1/2,2n的1/2]之中(简要证明:当每块大小为上限值n的1/2时,块数C取得最小值n的1/2;若任意相邻两块大小之和大于n的1/2,那么我们将所有块两两分组,即块0和块1一组,块1和块2一组…那么至多不会超过n的1/2组,又因为每组至多有两块,故总块数不会超过2n的1/2).之所以选择这种方式,是因为考虑到代码实现的方便,因为在这种实现方式中就不需要考虑块过大而需要分裂的情形。当然,实现方式因人而异,读者可以选择适合自己的最好方式。
在介绍操作之前,我们首先对即将用到的一些变量表示做一个约定:
next域:维护链表节点的下一个位置
curSize域:维护链表节点当前数组中元素的个数
data域:维护要保存的数据。