UNIDAD II. Listas Enlazdas

En Ciencias de la Computación, una lista enlazada es una de las estructuras de datos fundamentales, y puede ser usada para implementar otras estructuras de datos. Consiste en una secuencia de nodos, en los que se guardan campos de datos arbitrarios y una o dos referencias (punteros) al nodo anterior o posterior. El principal beneficio de las listas enlazadas respecto a los array convencionales es que el orden de los elementos enlazados puede ser diferente al orden de almacenamiento en la memoria o el disco, permitiendo que el orden de recorrido de la lista sea diferente al de almacenamiento.

Una lista enlazada es un tipo de dato auto-referenciado porque contienen un puntero o link a otro dato del mismo tipo. Las listas enlazadas permiten inserciones y eliminación de nodos en cualquier punto de la lista en tiempo constante (suponiendo que dicho punto está previamente identificado o localizado), pero no permiten un acceso aleatorio. Existen diferentes tipos de listas enlazadas: Lista Enlazadas Simples, Listas Doblemente Enlazadas, Listas Enlazadas Circulares y Listas Enlazadas Doblemente Circulares.

Las listas enlazadas pueden ser implementadas en muchos lenguajes. Lenguajes tales como Lisp y Scheme tiene estructuras de datos ya construidas, junto con operaciones para acceder a las listas enlazadas. Lenguajes imperativos u orientados a objetos tales como C o C++ y Java, respectivamente, disponen de referencias para crear listas enlazadas.

Historia

Las listas enlazadas fueron desarrolladas en 1955-56 por Cliff Shaw y Herbert Simon en RAND Corporation como la principal estructura de datos para su Lenguaje de Procesamiento de la Información (IPL). IPL fue usado por los autores para desarrollar varios programas relacionados con la inteligencia artificial, incluida la Máquina de la Teoría General, el Solucionador de Problemas Generales, y un programa informático de ajedrez. Se publicó en IRE Transactions on Information Theory en 1956, y en distintas conferencias entre 1957-1959, incluida Proceedings of the Western Joint Computer en 1957 y 1958, y en Information Processing (Procendents de la primera conferencia internacional del procesamiento de la información de la Unesco) en 1959. El diagrama clásico actual, que consiste en bloques que representan nodos de la lista con flechas apuntando a los sucesivos nodos de la lista, apareció en Programming the Logic Theory Machine, de Newell y Shaw. Newell y Simon fueron reconocidos por el ACM Turing Award en 1975 por “hacer contribuciones básicas a la inteligencia artificial, a la psicología del conocimiento humano y al procesamiento de las listas”.

El problema de los traductores del procesamiento natural del lenguaje condujo a Victor Yngve del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) a usar listas enlazadas como estructura de datos en su COMIT, lenguaje de programación para computadoras, que investigó en el campo de la Lingüística computacional. Un

informe de este lenguaje, titulado “A programming language for mechanical translation” apareció en Mechanical Translation en 1958.

LISP, el principal procesador de listas, fue creado en 1958. Una de las mayores estructuras de datos de LISP es la lista enlazada.

En torno a los 60, la utilidad de las listas enlazadas y los lenguajes que utilizaban estas estructuras como su principal representación de datos estaba bien establecida. Bert Green del MIT Lincoln Laboratory, publicó un estudio titulado Computer languages for symbol manipulation en IRE Transaction on Human Factors in Electronics en marzo de 1961 que resumía las ventajas de las listas enlazadas. Un posterior artículo, A Comparison of list-processing computer languages by Bobrow and Raphael, aparecía en Communications of the ACM en abril de 1964.

Muchos sistemas operativos desarrollados por Technical Systems Consultants (originalmente de West Lafayette Indiana y después de Raleigh, Carolina del Norte) usaron listas enlazadas simples como estructuras de ficheros. Un directorio de entrada apuntaba al primer sector de un fichero y daba como resultado porciones de la localización del fichero mediante punteros. Los sistemas que utilizaban esta técnica incluían Flex (para el Motorola 6800 CPU), mini-Flex (la misma CPU) y Flex9 (para el Motorola 6809 CPU). Una variante desarrollada por TSC se comercializó a Smoke Signal Broadcasting en California, usando listas doblemente enlazadas del mismo modo.

El sistema operativo TSS, desarrollado por IBM para las máquinas System 360/370, usaba una lista doblemente enlazada para su catálogo de ficheros de sistema. La estructura del directorio era similar a Unix, donde un directorio podía contener ficheros u otros directorios que se podían extender a cualquier profundidad. Una utilidad fue creada para arreglar problemas del sistema después de un fallo desde las porciones modificadas del catálogo de ficheros que estaban a veces en memoria cuando ocurría el fallo. Los problemas eran detectados por comparación de los links posterior y anterior por consistencia. Si el siguiente link era corrupto y el anterior enlace del nodo infectado era encontrado, el posterior link era asignado al nodo con el link del anterior.

Lista (estructura de datos) En Ciencias de la Computación, una lista enlazada es una de las estructuras de datos fundamentales, y puede ser usada para implementar otras estructuras de datos. Consiste en una secuencia de nodos, en los que se guardan campos de datos arbitrarios y una o dos referencias (punteros) al nodo anterior y/o posterior. El principal beneficio de las listas enlazadas respecto a los array convencionales es que el orden de los elementos enlazados puede ser diferente al orden de almacenamiento en la memoria o el disco, permitiendo que el orden de recorrido de la lista sea diferente al de almacenamiento. Una lista enlazada es un tipo de dato auto-referenciado porque contienen un puntero o link a otro dato del mismo tipo. Las listas enlazadas permiten

inserciones y eliminación de nodos en cualquier punto de la lista en tiempo constante (suponiendo que dicho punto está previamente identificado o localizado), pero no permiten un acceso aleatorio. Existen diferentes tipos de listas enlazadas: Lista Enlazadas Simples, Listas Doblemente Enlazadas, Listas Enlazadas Circulares y Listas Enlazadas Doblemente Circulares. Las listas enlazadas pueden ser implementadas en muchos lenguajes. Lenguajes tales como Lisp y Scheme tiene estructuras de datos ya construidas, junto con operaciones para acceder a las listas enlazadas. Lenguajes imperativos u orientados a objetos tales como C o C++ y Java, respectivamente, disponen de referencias para crear listas enlazadas. Aplicaciones de las listas enlazadas Las listas enlazadas son usadas como módulos para otras muchas estructuras de datos, tales como pilas, colas y sus variaciones. El campo de datos de un nodo puede ser otra lista enlazada. Mediante este mecanismo, podemos construir muchas estructuras de datos enlazadas con listas; esta practica tiene su origen en el lenguaje de programación Lisp, donde las listas enlazadas son una estructura de datos primaria (aunque no la única), y ahora es una característica común en el estilo de programación funcional. A veces, las listas enlazadas son usadas para implementar arrays asociativos, y estas en el contexto de las llamadas listas asociativas. Hay pocas ventajas en este uso de las listas enlazadas; hay mejores formas de implementar éstas estructuras, por ejemplo con árboles binarios de búsqueda equilibrados. Sin embargo, a veces una lista enlazada es dinámicamente creada fuera de un subconjunto propio de nodos semejante a un árbol, y son usadas más eficientemente para recorrer ésta serie de datos Ventajas Como muchas opciones en programación y desarrollo, no existe un único método correcto para resolver un problema. Una estructura de lista enlazada puede trabajar bien en un caso pero causar problemas en otros. He aquí una lista con un algunas de las ventajas más comunes que implican las estructuras de tipo lista. En general, teniendo una colección dinámica donde los elementos están siendo añadidos y eliminados frecuentemente e importa la localización de los nuevos elementos introducidos se incrementa el beneficio de las listas enlazadas. Ventajas de usar listas: Las listas son dinámicas, es decir, podemos almacenar en ellas tantos elementos como necesitemos, siempre y cuando haya espacio suficiente espacio en memoria. Al insertar un elemento en la lista, la operación tiene un tiempo constante independientemente de la posición en la que se inserte, solo se debe crear el nodo y modificar los enlaces. Esto no es así en los arreglos, ya que si el elemento lo insertamos al inicio o en medio, tenemos un tiempo lineal debido a que se tienen que mover todos los elementos que se encuentran a la derecha de la posición donde lo vamos a insertar y después insertar el elemento en dicha posición; solo al insertar al final del arreglo se obtienen tiempos constantes. Al eliminar un elemento paso lo mismo que se menciono en el punto anterior. Desventajas de usar listas:

El acceso a un elemento es más lento, debido a que la información no está en posiciones contiguas de memoria, por lo que no podemos acceder a un elemento con base en su posición como se hace en los arreglos. Operaciones en Listas Enlazadas Las operaciones que podemos realizar sobre una lista enlazada son las siguientes: • Recorrido. Esta operación consiste en visitar cada uno de los nodos que forman

la lista. Para recorrer todos los nodos de la lista, se comienza con el primero, se toma el valor del campo liga para avanzar al segundo nodo, el campo liga de este nodo nos dará la dirección del tercer nodo, y así sucesivamente.

• Inserción. Esta operación consiste en agregar un nuevo nodo a la lista. Para esta operación se pueden considerar tres casos:

◦ Insertar un nodo al inicio. ◦ Insertar un nodo antes o después de cierto nodo. ◦ Insertar un nodo al final. • Borrado. La operación de borrado consiste en quitar un nodo de la lista,

redefiniendo las ligas que correspondan. Se pueden presentar cuatro casos:

◦ Eliminar el primer nodo. ◦ Eliminar el último nodo. ◦ Eliminar un nodo con cierta información. ◦ Eliminar el nodo anterior o posterior al nodo cierta con información.

Búsqueda. Esta operación consiste en visitar cada uno de los nodos, tomando al campo liga como puntero al siguiente nodo a visitar.

Tipos de Listas Enlazadas

[Listas enlazadas lineales

Listas simples enlazadas

La lista enlazada básica es la lista enlazada simple la cual tiene un enlace por nodo. Este enlace apunta al siguiente nodo en la lista, o al valor NULL o a la lista vacía, si es el último nodo.

Una lista enlazada simple contiene dos valores: el valor actual del nodo y un enlace al siguiente nodo

Lista Doblemente Enlazada

Un tipo de lista enlazada más sofisticado es la lista doblemente enlazada o lista enlazadas de dos vías. Cada nodo tiene dos enlaces: uno apunta al nodo anterior, o apunta al valor NULL si es el primer nodo; y otro que apunta al nodo siguiente, o apunta al valor NULL si es el último nodo.

Una lista doblemente enlazada contiene tres valores: el valor, el link al nodo siguiente, y el link al anterior

En algún lenguaje de muy bajo nivel, XOR-Linking ofrece una vía para implementar listas doblemente enlazadas, usando una sola palabra para ambos enlaces, aunque el uso de esta técnica no se suele utilizar.

Listas enlazadas circulares

En una lista enlazada circular, el primer y el último nodo están unidos juntos. Esto se puede hacer tanto para listas enlazadas simples como para las doblemente enlazadas. Para recorrer una lista enlazada circular podemos empezar por cualquier nodo y seguir la lista en cualquier dirección hasta que se regrese hasta el nodo original. Desde otro punto de vista, las listas enlazadas circulares pueden ser vistas como listas sin comienzo ni fin. Este tipo de listas es el más usado para dirigir buffers para “ingerir” datos, y para visitar todos los nodos de una lista a partir de uno dado.

Una lista enlazada circular que contiene tres valores enteros

Listas enlazadas circulares simples

Cada nodo tiene un enlace, similar al de las listas enlazadas simples, excepto que el siguiente nodo del último apunta al primero. Como en una lista enlazada simple, los nuevos nodos pueden ser solo eficientemente insertados después de uno que ya tengamos referenciado. Por esta razón, es usual quedarse con una referencia solamente al último elemento en una lista enlazada circular simple, esto nos permite rápidas inserciones al principio, y también permite accesos al primer nodo desde el puntero del último nodo. 1

Lista Enlazada Doblemente Circular

En una lista enlazada doblemente circular, cada nodo tiene dos enlaces, similares a los de la lista doblemente enlazada, excepto que el enlace anterior del primer nodo apunta al último y el enlace siguiente del último nodo, apunta al primero.

Como en una lista doblemente enlazada, las inserciones y eliminaciones pueden ser hechas desde cualquier punto con acceso a algún nodo cercano. Aunque estructuralmente una lista circular doblemente enlazada no tiene ni principio ni fin, un puntero de acceso externo puede establecer el nodo apuntado que está en la cabeza o al nodo cola, y así mantener el orden tan bien como en una lista doblemente enlazada.

Nodos Centinelas

A veces las listas enlazadas tienen un nodo centinela (también llamado falso nodo o nodo ficticio) al principio o al final de la lista, el cual no es usado para guardar datos. Su propósito es simplificar o agilizar algunas operaciones, asegurando que cualquier nodo tiene otro anterior o posterior, y que toda la lista (incluso alguna que no contenga datos) siempre tenga un “primer y último” nodo.