leetcode 707. design-linked-list 设计链表 python3

本文介绍了一种不使用内置LinkedList库设计链表的方法,包括单链表和双链表的实现,涵盖get、addAtHead、addAtTail、addAtIndex和deleteAtIndex等关键操作。

时间:2020-6-29

题目地址:https://leetcode-cn.com/problems/design-linked-list

题目难度:Medium

题目描述:

设计链表的实现。您可以选择使用单链表或双链表。单链表中的节点应该具有两个属性:val 和 next。val 是当前节点的值,next 是指向下一个节点的指针/引用。如果要使用双向链表,则还需要一个属性 prev 以指示链表中的上一个节点。假设链表中的所有节点都是 0-index 的。

在链表类中实现这些功能:

get(index):获取链表中第 index 个节点的值。如果索引无效,则返回-1。
addAtHead(val):在链表的第一个元素之前添加一个值为 val 的节点。插入后,新节点将成为链表的第一个节点。
addAtTail(val):将值为 val 的节点追加到链表的最后一个元素。
addAtIndex(index,val):在链表中的第 index 个节点之前添加值为 val  的节点。如果 index 等于链表的长度,则该节点将附加到链表的末尾。如果 index 大于链表长度,则不会插入节点。如果index小于0,则在头部插入节点。
deleteAtIndex(index):如果索引 index 有效,则删除链表中的第 index 个节点。

示例:

MyLinkedList linkedList = new MyLinkedList();
linkedList.addAtHead(1);
linkedList.addAtTail(3);
linkedList.addAtIndex(1,2);   //链表变为1-> 2-> 3
linkedList.get(1);            //返回2
linkedList.deleteAtIndex(1);  //现在链表是1-> 3
linkedList.get(1);            //返回3

提示:

所有val值都在 [1, 1000] 之内。
操作次数将在  [1, 1000] 之内。
请不要使用内置的 LinkedList 库。


思路1:单链表

代码段1:通过

class ListNode:
    def __init__(self, x):
        """
        Initialize your data structure here.
        """
        self.val = x
        self.next = None

class MyLinkedList:
    def __init__(self):
        """
        Initialize your data structure here.
        """
        self.size = 0
        self.head = ListNode(0)

    def get(self, index: int) -> int:
        """
        Get the value of the index-th node in the linked list. If the index is invalid, return -1.
        """
        if index < 0 or index >= self.size: 
            return -1
        curr = self.head
        for i in range(index + 1):
            curr = curr.next
        return curr.val

    def addAtHead(self, val: int) -> None:
        """
        Add a node of value val before the first element of the linked list. After the insertion, the new node will be the first node of the linked list.
        """
        self.addAtIndex(0, val)
        
        
    def addAtTail(self, val: int) -> None:
        """
        Append a node of value val to the last element of the linked list.
        """
        self.addAtIndex(self.size, val)

    def addAtIndex(self, index: int, val: int) -> None:
        """
        Add a node of value val before the index-th node in the linked list. If index equals to the length of linked list, the node will be appended to the end of linked list. If index is greater than the length, the node will not be inserted.
        """
        if index > self.size:
            return 

        if index < 0:
            index = 0
        
        self.size += 1
        curr = self.head
        add = ListNode(val)
        for _ in range(index):
            curr = curr.next
        add.next = curr.next
        curr.next = add

    def deleteAtIndex(self, index: int) -> None:
        """
        Delete the index-th node in the linked list, if the index is valid.
        """
        if index >= self.size or index < 0:
            return 
        
        self.size -= 1
        curr = self.head
        for _ in range(index):
            curr = curr.next
        curr.next = curr.next.next


# Your MyLinkedList object will be instantiated and called as such:
# obj = MyLinkedList()
# param_1 = obj.get(index)
# obj.addAtHead(val)
# obj.addAtTail(val)
# obj.addAtIndex(index,val)
# obj.deleteAtIndex(index)

总结:

  1. 刚开始把数据接口和算法混起来了,MyLinkedList的__init__写的是初始化的 val、next

思路2:双链表

代码段2:通过

class ListNode:
    def __init__(self, x):
        self.val = x
        self.next, self.prev = None, None

class MyLinkedList:
    def __init__(self):
        self.size = 0
        # sentinel nodes as pseudo-head and pseudo-tail
        self.head, self.tail = ListNode(0), ListNode(0) 
        self.head.next = self.tail
        self.tail.prev = self.head
        

    def get(self, index: int) -> int:
        """
        Get the value of the index-th node in the linked list. If the index is invalid, return -1.
        """
        # if index is invalid
        if index < 0 or index >= self.size:
            return -1
        
        # choose the fastest way: to move from the head
        # or to move from the tail
        if index + 1 < self.size - index:
            curr = self.head
            for _ in range(index + 1):
                curr = curr.next
        else:
            curr = self.tail
            for _ in range(self.size - index):
                curr = curr.prev
                
        return curr.val
            

    def addAtHead(self, val: int) -> None:
        """
        Add a node of value val before the first element of the linked list. After the insertion, the new node will be the first node of the linked list.
        """
        pred, succ = self.head, self.head.next
        
        self.size += 1
        to_add = ListNode(val)
        to_add.prev = pred
        to_add.next = succ
        pred.next = to_add
        succ.prev = to_add
        

    def addAtTail(self, val: int) -> None:
        """
        Append a node of value val to the last element of the linked list.
        """
        succ, pred = self.tail, self.tail.prev
        
        self.size += 1
        to_add = ListNode(val)
        to_add.prev = pred
        to_add.next = succ
        pred.next = to_add
        succ.prev = to_add
        

    def addAtIndex(self, index: int, val: int) -> None:
        """
        Add a node of value val before the index-th node in the linked list. If index equals to the length of linked list, the node will be appended to the end of linked list. If index is greater than the length, the node will not be inserted.
        """
        # If index is greater than the length, 
        # the node will not be inserted.
        if index > self.size:
            return
        
        # [so weird] If index is negative, 
        # the node will be inserted at the head of the list.
        if index < 0:
            index = 0
        
        # find predecessor and successor of the node to be added
        if index < self.size - index:
            pred = self.head
            for _ in range(index):
                pred = pred.next
            succ = pred.next
        else:
            succ = self.tail
            for _ in range(self.size - index):
                succ = succ.prev
            pred = succ.prev
        
        # insertion itself
        self.size += 1
        to_add = ListNode(val)
        to_add.prev = pred
        to_add.next = succ
        pred.next = to_add
        succ.prev = to_add
        

    def deleteAtIndex(self, index: int) -> None:
        """
        Delete the index-th node in the linked list, if the index is valid.
        """
        # if the index is invalid, do nothing
        if index < 0 or index >= self.size:
            return
        
        # find predecessor and successor of the node to be deleted
        if index < self.size - index:
            pred = self.head
            for _ in range(index):
                pred = pred.next
            succ = pred.next.next
        else:
            succ = self.tail
            for _ in range(self.size - index - 1):
                succ = succ.prev
            pred = succ.prev.prev
            
        # delete pred.next 
        self.size -= 1
        pred.next = succ
        succ.prev = pred

总结:

  1. 双链表比单链表快很多,但是很复杂,双链表加了size、伪头伪尾
### C++ 双向链表容器的实现与用法 #### 1. 基本概念 C++中的`std::list`是一个双向链表容器,它允许高效的插入和删除操作。由于其内部结构的特点,在O(1)的时间复杂度下可以完成节点的增删操作[^1]。 #### 2. 容器的基本功能 以下是`std::list`的一些基本功能及其使用方法: ##### (1)元素访问 可以通过成员函数`.front()`和`.back()`分别获取列表的第一个和最后一个元素。 ```cpp #include <iostream> #include <list> using namespace std; int main() { list<string> ll_1 = {"c++", "c", "python", "shell"}; cout << ll_1.front() << endl; // 头元素 cout << ll_1.back() << endl; // 尾元素 } ``` ##### (2)迭代器遍历 通过迭代器可以逐一遍历整个列表。 ```cpp list<string>::iterator iter = ll_1.begin(); while (iter != ll_1.end()) { cout << *iter << " "; iter++; } cout << endl; ``` 上述代码展示了如何利用迭代器逐一打印列表中的每一个元素。 ##### (3)插入与删除 - 插入:支持在头部、尾部以及指定位置插入新元素。 - 删除:提供按值删除的功能,并能处理重复值的情况。 下面的例子演示了如何移除所有等于某个特定值的元素: ```cpp void testDelete() { int array[4] = {1, 2, 2, 3}; list<int> data; // 初始化并拷贝数组至列表 data.assign(array, array + 4); // 遍历并删除所有等于2的元素 for (list<int>::iterator iter = data.begin(); iter != data.end();) { if (*iter == 2) { iter = data.erase(iter); // 返回下一个有效迭代器 } else { ++iter; } } // 打印剩余元素 for (auto v : data) { cout << v << "\t"; } cout << endl; } int main() { testDelete(); } /* 输出 */ // 1 3 ``` 此段代码实现了对列表中所有值为2的元素进行删除的操作[^3]。 #### 3. 自定义实现双向链表 除了标准库提供的`std::list`外,也可以手动实现一个简单的双向链表。以下展示了一个基础版本的自定义双向链表类的部分实现细节: ##### (1)结点定义 每个结点包含前驱指针(`prev`)、后继指针(`next`)以及存储的数据项(`data`)。 ```cpp template<typename T> struct Node { T data; Node* prev; Node* next; explicit Node(T val) : data(val), prev(nullptr), next(nullptr) {} }; ``` ##### (2)链表类定义 链表维护首尾两个特殊哨兵位(sentinel),简化边界条件判断;同时提供了构造函数、析构函数以及其他常用接口如push_back、erase等。 ```cpp template<class T> class List { private: Node<T>* _head; size_t _size; public: List() { empty_initialize(); } ~List() { clear(); delete _head; } template<class InputIterator> List(InputIterator first, InputIterator last){ empty_initialize(); while(first != last){ push_back(*first); ++first; } } void swap(List<T>& lt){ std::swap(_head, lt._head); std::swap(_size, lt._size); } List(const List<T>& lt):_head(new Node<T>(0)), _size(0){ this->assign(lt.begin(), lt.end()); } typename iterator begin(){return _head;} ... }; inline void List<T>::empty_initialize(){ _head=new Node<T>(); _head->_prev=_head; _head->_next=_head; _size=0; } ... ``` 以上片段摘录自一份典型的双向链表模板类实现方案[^2]。 #### 性能分析 相较于其他序列容器(如vector),当频繁涉及中间位置上的修改时,list往往表现更优因为它的局部更新不会影响整体内存布局。然而查找单个目标仍需线性扫描即O(n)[^4]。 ---
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