数据结构与算法之链表-python实现（简单好用）-优快云博客

前言

链表：一组数据项的集合，其中每个数据项都是一个节点的一部分，每个节点还包含指向下一个节点的链接

链表的数据结构：
在这里插入图片描述
而对于其中每一个节点：

每一个节点有两个域，左边叫值域，用于存放用户数据，右边叫指针域，一般是存储着到下一个节点的指针

head节点：
头节点，特殊的一个节点，永远指向第一个节点
tail节点：
尾节点，也是特殊的一个节点，永远指向最后一个节点。tail.next = None

而由abcd四个节点组成了一个链表，每一个节点都有data和next，尾节点的next指向None

链表中的元素都会有两个属性，一个是元素的值，另一个是指针，指针标记了下一个元素的地址，每一个数据都会保存下一个数据的内存的地址，通过此地址可以找到下一个数据，任意位置插入和删除元素效率较高，时间复杂度为O(1)

需要访问某个位置的数据，需要从第一个数据开始找起，依次往后遍历，直到找到待查询的位置，故可能在查找某个元素时，时间复杂度为O(N)

优点：

任意位置插入和删除元素速度快，时间复杂度为O(1)
内存利用率高，不会浪费内存

缺点：
随机访问效率低时间复杂度为O(N)

python的单链表实现

单链表也就是刚才所讲的链表结构，也是最基础的链表

class Node():
    def __init__(self, value):
    	# 该节点的值
        self._value = value
        # 指向下一个节点
        self._next = None

class LinkedList():
    def __init__(self, head=None):
    	# 头节点
        self._head = head

    # 检查该链表是否为空，为空则返回 True，否则返回 False
    def isEmpty(self):
        return self._head == None

    # 返回链表节点的数量
    def length(self):
        if self.isEmpty():
            return 0
        else:
            cur = self._head
            count = 1
            while cur._next != None:
                count += 1
                cur = cur._next
            return count

    # 遍历所有节点
    def travel(self):
        if self.isEmpty():
            print("The linkedlist is empty!")
        else:
            cur = self._head
            values = []
            while cur != None:
                values.append(cur._value)
                cur = cur._next
            print(values)

    # 头部添加节点
    def add(self, value):
        node = Node(value)
        node._next = self._head
        self._head = node

    # 尾部添加节点
    def append(self, value):
        node = Node(value)
        if self.isEmpty():
            self._head = node
        else:
            cur = self._head
            while cur._next != None:
                cur = cur._next
            cur._next = node

    # 插入节点
    def insert(self, pos, value):
        if pos <= 0:
            self.add(value)
        elif pos > (self.length()-1):
            self.append(value)
        else:
            node = Node(value)
            cur = self._head
            index = 0
            while index < (pos-1):
                index += 1
                cur = cur._next
            node._next = cur._next
            cur._next = node

    # 删除等于某个值的全部节点
    def remove(self, value):
        pre = None
        cur = self._head
        while cur != None:
            if cur._value == value:
                if pre == None:
                    self._head = self._head._next
                    cur = self._head
                    continue
                else:
                    pre._next = cur._next
                    cur = cur._next
                    continue
            pre, cur = cur, cur._next

    # 删除某个索引对应的节点
    def delete(self, index):
        if index < 0 or index > (self.length()-1):
            print("The input index is out of range!")
        elif index == 0:
            self._head = self._head._next
        else:
            count = 1
            pre, cur = self._head, self._head._next
            while count<index:
                count += 1
                pre, cur = cur, cur._next
            pre._next = cur._next

    # 根据值返回节点的索引
    def searchbyvalue(self, value):
        count = 0
        cur = self._head
        index = []
        while cur != None:
            if cur._value == value:
                index.append(count)
            count += 1
            cur = cur._next
        if not index:
            return False
        else:
            return index

    # 根据索引返回节点的值
    def searchbyindex(self, index):
        count = 0
        cur = self._head
        if index < 0 or index > (self.length()-1):
            print("The input index is out of range")
        else:
            while count < index:
                count += 1
                cur = cur._next
            return cur._value

双向链表

在这里插入图片描述
双向链表双向链表也叫双链表，是链表的一种，它的每个数据结点中都有两个指针，分别指向直接后继和直接前驱。所以，从双向链表中的任意一个结点开始，都可以很方便地访问它的前驱结点和后继结点

python的双向链表实现

class Node(object):
    """双向链表的结点"""

    def __init__(self, item):
        # item存放数据元素
        self.item = item
        # next 指向下一个节点的标识
        self.next = None
        # prev 指向上一结点
        self.prev = None

class BilateralLinkList(object):
    """双向链表"""

    def __init__(self):
        self._head = None
	
	# 判断链表是否为空
    def is_empty(self):
        return self._head is None
        
	# 链表长度
    def length(self):
        # 初始指针指向head
        cur = self._head
        count = 0
        # 指针指向None 表示到达尾部
        while cur is not None:
            count += 1
            # 指针下移
            cur = cur.next
        return count

	# 遍历链表
    def items(self):
        # 获取head指针
        cur = self._head
        # 循环遍历
        while cur is not None:
            # 返回生成器
            yield cur.item
            # 指针下移
            cur = cur.next

	# 向链表头部添加元素
    def add(self, item):
        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            # 头部结点指针修改为新结点
            self._head = node
        else:
            # 新结点指针指向原头部结点
            node.next = self._head
            # 原头部 prev 指向 新结点
            self._head.prev = node
            # head 指向新结点
            self._head = node

	# 尾部添加元素
    def append(self, item):
        node = Node(item)
        if self.is_empty():  # 链表无元素
            # 头部结点指针修改为新结点
            self._head = node
        else:  # 链表有元素
            # 移动到尾部
            cur = self._head
            while cur.next is not None:
                cur = cur.next
            # 新结点上一级指针指向旧尾部
            node.prev = cur
            # 旧尾部指向新结点
            cur.next = node
            
	# 指定位置插入元素
    def insert(self, index, item):
        if index <= 0:
            self.add(item)
        elif index > self.length() - 1:
            self.append(item)
        else:
            node = Node(item)
            cur = self._head
            for i in range(index):
                cur = cur.next
            # 新结点的向下指针指向当前结点
            node.next = cur
            # 新结点的向上指针指向当前结点的上一结点
            node.prev = cur.prev
            # 当前上一结点的向下指针指向node
            cur.prev.next = node
            # 当前结点的向上指针指向新结点
            cur.prev = node
	
	# 删除结点
    def remove(self, item):
        if self.is_empty():
            return
        cur = self._head
        # 删除元素在第一个结点
        if cur.item == item:
            # 只有一个元素
            if cur.next is None:
                self._head = None
                return True
            else:
                # head 指向下一结点
                self._head = cur.next
                # 下一结点的向上指针指向None
                cur.next.prev = None
                return True
        # 移动指针查找元素
        while cur.next is not None:
            if cur.item == item:
                # 上一结点向下指针指向下一结点
                cur.prev.next = cur.next
                # 下一结点向上指针指向上一结点
                cur.next.prev = cur.prev
                return True
            cur = cur.next
        # 删除元素在最后一个
        if cur.item == item:
            # 上一结点向下指针指向None
            cur.prev.next = None
            return True
	
	# 查找元素是否存在
    def find(self, item):
        return item in self.items()

循环链表

在单链表基础上，将头尾链接，组成循环

python的循环链表实现


class Node(object):
    """节点"""
    def __init__(self, item):
        self.item = item
        self.next = None
 
 
class SinCycLinkedlist(object):
    """单向循环链表"""
    def __init__(self):
        self.__head = None
 
  	# 判断链表是否为空
    def is_empty(self):
        return self.__head == None
 
  	# 返回链表的长度
    def length(self):
        # 如果链表为空，返回长度0
        if self.is_empty():
            return 0
        count = 1
        cur = self.__head
        while cur.next != self.__head:
            count += 1
            cur = cur.next
        return count
 
  	# 遍历链表
    def travel(self):
        if self.is_empty():
            return
        cur = self.__head
        print cur.item,
        while cur.next != self.__head:
            cur = cur.next
            print cur.item,
        print ""
 
  	# 头部添加节点
    def add(self, item):
        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            self.__head = node
            node.next = self.__head
        else:
            #添加的节点指向_head
            node.next = self.__head
            # 移到链表尾部，将尾部节点的next指向node
            cur = self.__head
            while cur.next != self.__head:
                cur = cur.next
            cur.next = node
            #_head指向添加node的
            self.__head = node
 
  	# 尾部添加节点
    def append(self, item):
        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            self.__head = node
            node.next = self.__head
        else:
            # 移到链表尾部
            cur = self.__head
            while cur.next != self.__head:
                cur = cur.next
            # 将尾节点指向node
            cur.next = node
            # 将node指向头节点_head
            node.next = self.__head
 
  	# 在指定位置添加节点
    def insert(self, pos, item):
        if pos <= 0:
            self.add(item)
        elif pos > (self.length()-1):
            self.append(item)
        else:
            node = Node(item)
            cur = self.__head
            count = 0
            # 移动到指定位置的前一个位置
            while count < (pos-1):
                count += 1
                cur = cur.next
            node.next = cur.next
            cur.next = node
 
  	# 删除一个节点
    def remove(self, item):
        # 若链表为空，则直接返回
        if self.is_empty():
            return
        # 将cur指向头节点
        cur = self.__head
        pre = None
        while cur.next != self.__head:
            if cur.item == item:
                # 先判断此结点是否是头节点
                if cur == self.__head:
                    # 头节点的情况
                    # 找尾节点
                    rear = self.__head
                    while rear.next != self.__head:
                        rear = rear.next
                    self.__head = cur.next
                    rear.next = self.__head
                else:
                    # 中间节点
                    pre.next = cur.next
                return
            else:
                pre = cur
                cur = cur.next
        # 退出循环，cur指向尾节点
        if cur.item == item:
            if cur == self.__head:
                # 链表只有一个节点
                self.__head = None
            else:
                # pre.next = cur.next
                pre.next = self.__head
 
 	# 查找节点是否存在
    def search(self, item):
        if self.is_empty():
            return False
        cur = self.__head
        if cur.item == item:
            return True
        while cur.next != self.__head:
            cur = cur.next
            if cur.item == item:
                return True
        return False

双向循环链表

顾名思义，双向循环链表就是将双向链表的头尾相连，构成循环

python的双向循环链表实现

# 1.节点构造
class Node(object):
    def __init__(self, elem):
        self.elem = elem  
        self.next = None  
        self.prev = None  

class DoubleCircleLinkedList(object):
    # 2.成员构造
    def __init__(self, node=None):
        self._head = node
        
    # 3.返回大小
    def length(self):
        if self.is_empty():
            return 0
        else:
            cur = self._head.next
            n = 1
            while cur != self._head:
                cur = cur.next
                n += 1
            return n

    # 4.判空
    def is_empty(self):
        return self._head is None

    # 5.增
    def addFirst(self, elem):
        node = Node(elem)
        if self.is_empty():  # 链表为空
            node.next = node
            node.prev = node
            self._head = node
        else:
            node.next = self._head
            node.prev = self._head.prev
            self._head.prev.next = node
            self._head.prev = node
            self._head = node

    def addLast(self, elem):
        if self.is_empty():
            self.addFirst(elem)
        else:
            node = Node(elem)
            cur = self._head.next
            while cur.next != self._head:
                cur = cur.next
            cur.next = node
            node.prev = cur
            node.next = self._head
            self._head.prev = node

    def add(self, pos, elem):
        if pos <= 0:
            self.addFirst(elem)
        elif pos >= self.length():
            self.addLast(elem)
        else:
            cur = self._head.next
            n = 1
            while cur.next != self._head:
                if n == pos:
                    break
                cur = cur.next
                n += 1
            node = Node(elem)
            node.prev = cur.prev
            cur.prev.next = node
            node.next = cur
            cur.prev = node
            
    # 6.删
    def remove(self, elem):
        if self.is_empty():
            return
        else:
            if self._head.elem == elem:
                if self.length == 1:
                    self._head = Node
                else:
                    self._head.prev.next = self._head.next
                    self._head.next.prev = self._head.prev
                    self._head = self._head.next
            cur = self._head.next
            while cur != self._head:
                if cur.elem == elem:
                    cur.prev.next = cur.next
                    cur.next.prev = cur.prev
                cur = cur.next
                
    # 7.查
    def travel(self):
        cur = self._head
        while cur.next != self._head:
            print(cur.elem, end=' ')
            cur = cur.next
        print(cur.elem)
        
    def search(self, elem):
        if self.is_empty():
            return False
        else:
            cur = self._head.next
            if self._head.elem == elem:
                return True
            else:
                while cur != self._head:
                    if cur.elem == elem:
                        return True
                    else:
                        cur = cur.next
                return False

静态链表

使用静态链表存储数据，需要预先申请足够大的一整块内存空间，也就是说，静态链表存储数据元素的个数从其创建的那一刻就已经确定，后期无法更改。

不仅如此，静态链表是在固定大小的存储空间内随机存储各个数据元素，这就造成了静态链表中需要使用另一条链表（通常称为"备用链表"）来记录空间存储空间的位置，以便后期分配给新添加元素使用。

这意味着，如果你选择使用静态链表存储数据，你需要通过操控两条链表，一条是存储数据，另一条是记录空闲空间的位置。

而使用动态链表存储数据，不需要预先申请内存空间，而是在需要的时候才向内存申请。也就是说，动态链表存储数据元素的个数是不限的，想存多少就存多少。

同时，使用动态链表的整个过程，你也只需操控一条存储数据的链表。当表中添加或删除数据元素时，你只需要通过 malloc 或 free 函数来申请或释放空间即可，实现起来比较简单。

python的静态链表实现

class Node:
    def __init__(self, next, val=None):
        self.val = val  # 值
        self.next = next  # 游标。最后一个元素的游标必须是 0


class SLinkList:
    # 分配线性表长度、定义线性表
    def __init__(self, size=7):
        self.size = size
        self.link = [Node((i + 1) % self.size) for i in range(self.size)]

    # 线性表清空
    def clearSLL(self):
        self.__init__()

    # 线性表是否为空
    def isEmpty(self):
        return False if self.link[self.size - 1].next else True

    # 查找空位置
    def findEmpty(self):
        ind = self.size
        for i in range(1, self.size - 1):
            if self.link[i].val is None:
                ind = i
                break
        return ind

    # 指定位置插入元素
    def insert(self, ind, ele):
        sua = -1
        # 前一个元素
        pre = self.size - 1
        # 插入元素的位置（第一个空位置）
        insertLoc = self.link[0].next
        # 条件判断
        if ind < 1 or ind >= pre or insertLoc >= self.size:
            return 0
        # 第一个元素的索引
        for i in range(1, self.size - 1):
            index = self.link[pre].next
            if i == ind:
                self.link[pre].next = insertLoc
                # 元素插入
                self.link[insertLoc].val = ele
                self.link[insertLoc].next = index
                # 首位元素
                self.link[0].next = self.findEmpty()
                sua = 1
                break
            if self.link[index].val is None:
                break
            pre = index
        return sua

    # 查找线性表某位置的元素
    def getByIndex(self, ind):
        if ind < 1 or ind >= self.size - 1:
            return -1

        index = self.link[self.size - 1].next
        if index == 0:
            return -1
        for i in range(1, ind):
            index = self.link[index].next

        return self.link[index].val

    # 查找线性表的元素所在位置
    def locateElement(self, ele):
        index = self.link[self.size - 1].next
        ind = -1
        if index == 0:
            return ind
        for i in range(1, self.size - 1):
            if self.link[index].val == ele:
                ind = i
                break
            if self.link[index].val is None:
                break
            index = self.link[index].next
        return ind

    # 删除线性表指定位置的元素
    def deleteElement(self, ind):
        sua = -1
        # 前一个索引
        pre = self.size - 1
        for i in range(1, self.size - 1):
            index = self.link[pre].next
            # 当前位置是个空位置
            if self.link[index].val is None:
                break
            # 已经遍历到第i个位置
            if i == ind:
                self.link[pre].next = self.link[index].next
                self.link[index].val = None
                # 删除元素的游标指向备用链表
                self.link[index].next = self.link[0].next
                # 首位元素
                self.link[0].next = index
                sua = 1
                break
            pre = index
        return sua

    # 按照线性表排序线性表遍历
    def travelLink(self):
        print("*" * 50)
        index = self.link[self.size - 1].next
        while self.link[index].val:
            print(
                f"value = {self.link[index].val} next = {self.link[index].next}"
            )
            index = self.link[index].next
        print("*" * 50)

    # 按照索引遍历
    def traversingByIndex(self):
        print("*" * 50)
        for i in range(self.size):
            print(
                f"index = {i}, value = {self.link[i].val} next = {self.link[i].next}"
            )
        print("*" * 50)