Python与数据结构[0] -> 链表/LinkedList[0] -> 单链表与带表头单链表的 Python 实现
单链表 / Linked List
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链表是一种基本的线性数据结构，在C语言中，这种数据结构通过指针实现，由于存储空间不要求连续性，因此插入和删除操作将变得十分快速。下面将利用Python来完成单链表的实现。
不带表头的单链表通常形式如下，
node_1 -> node_2 -> node_3 -> node_4
完整代码
1 class Node: 2 def __init__(self, val=None, nxt=None): 3 self.value = val 4 self.next = nxt 5 6 def __str__(self): 7 return str(self.value) 8 9 10 class LinkedList: 11 """ 12 Linked list: 13 node_1 -> node_2 -> node_3 -> node_4 14 """ 15 def __init__(self, iterable=()): 16 self.header = None 17 if iterable: 18 self.init(iterable) 19 20 def __str__(self): 21 def _traversal(self): 22 node = self.header 23 while node and node.next: 24 yield node 25 node = node.next 26 yield node 27 return '->'.join(map(lambda x: str(x), _traversal(self))) 28 29 def init(self, iterable=()): 30 # Note: use empty tuple rather than list to init iterable 31 if not iterable: 32 return 33 self.header = Node(iterable[0]) # header value 34 node = self.header 35 for i in iterable[1:]: # add all node 36 node.next = Node(i) 37 node = node.next 38 39 def show(self): 40 print(self) 41 42 @property 43 def length(self): 44 if self.header is None: 45 return 0 46 node = self.header # node pointer points to header 47 i = 1 48 while node.next: 49 node = node.next # node pointer move to next 50 i += 1 51 return i 52 53 @property 54 def is_empty(self): 55 return self.header is None 56 57 def clear(self): 58 self.__init__() 59 # self.header = None 60 61 def append(self, item): 62 self.insert(item, self.length) 63 64 def find(self, item): 65 node = self.header 66 while node.next and node.value != item: 67 node = node.next 68 if node.value == item: 69 return node 70 return None 71 72 def find_previous(self, item): 73 node = self.header 74 while node.next and node.next.value != item: 75 node = node.next 76 if node.next and node.next.value == item: 77 return node 78 return None 79 80 def delete(self, item): 81 ''' 82 node_1 -- X --> node_2 -----> node_3 83 \ / 84 \ / 85 ------------------ 86 ''' 87 prev = self.find_previous(item) 88 if prev: 89 prev.next = prev.next.next 90 91 def insert(self, item, index): 92 ''' 93 ----> node_2 --- 94 / \ 95 / \ 96 node_1 ------- X ---------> node_3 97 98 ''' 99 if abs(index) > self.length: 100 return 101 if index < 0: 102 self.insert(item, self.length+index+1) 103 return 104 elif index == 0: 105 self.insert(self.header.value, 1) 106 self.header.value = item 107 return 108 node = self.header 109 i = 0 110 while i < index-1: 111 node = node.next 112 i += 1 113 n = node.next 114 node.next = Node(item, n) 115 116 117 def test(li): 118 print('Show linked list:') 119 li.show() 120 121 print('\nInit linked list:') 122 li.init([1, 2, 3, 4, 5, 6, 'xd', 8, 9]) 123 li.show() 124 125 print('\nInsert element:') 126 li.insert('xxd', -3) 127 li.show() 128 129 print('\nAppend element:') 130 li.append('10') 131 li.show() 132 133 e = 'xd' 134 print('\nFind element:') 135 x = li.find(e) 136 print(x.value if x else x) 137 print('\nFind previous element:') 138 x = li.find_previous(e) 139 print(x.value if x else x) 140 141 print('\nDelete element:') 142 li.delete('xd') 143 li.show() 144 145 print('\nFind element not exist:') 146 x = li.find(e) 147 print(x.value if x else x) 148 149 print('\nInsert element to header:') 150 li.insert('cc', 0) 151 li.show() 152 153 print('\nClear linked list:') 154 li.clear() 155 li.show() 156 157 print('\nCurrent length: %s' % li.length) 158 print('\nIs empty: %s' % li.is_empty) 159 160 161 if __name__ == '__main__': 162 test(LinkedList())
分段解释
首先，需要定义一个结点类（在C语言中则使用结构体进行定义），其中包括两个基本属性，当前值和下个结点。由于Python中无法使用类似C语言中的指针，因此只能通过变量的引用来实现类似指针操作的功能。为了更好的显示结点，这里重载了结点的内置函数__str__。
1 class Node: 2 def __init__(self, val=None, nxt=None): 3 self.value = val 4 self.next = nxt 5 6 def __str__(self): 7 return str(self.value)
接着，我们需要。定义一个链表类，并利用前面的结点来构建这个链表。链表类中包含了一个头结点属性，在初始化函数中，首先将头结点赋值None，类似于在C语言中将头结点指针指向NULL。初始化方法中定义了一个默认参数，使得链表可以在实例化的时候利用传入的可迭代对象进行链表生成。
1 class LinkedList: 2 """ 3 Linked list: 4 node_1 -> node_2 -> node_3 -> node_4 5 """ 6 def __init__(self, iterable=()): 7 self.header = None 8 if iterable: 9 self.init(iterable)
重载链表的__str__方法，在显示链表的时候会对链表进行遍历，然后以更加清晰的方式显示在输出终端上。
1 def __str__(self): 2 def _traversal(self): 3 node = self.header 4 while node and node.next: 5 yield node 6 node = node.next 7 yield node 8 return '->'.join(map(lambda x: str(x), _traversal(self)))
定义链表的生成函数，函数中接收可迭代对象并生成新的链表。注意这里最好使用不可变的元组而不是可变的列表。
在生成时，首先将第一个元素作为头结点，然后依次将每个结点的next属性引用指向下一个结点。
1 def init(self, iterable=()): 2 # Note: use empty tuple rather than list to init iterable 3 if not iterable: 4 return 5 self.header = Node(iterable[0]) # header value 6 node = self.header 7 for i in iterable[1:]: # add all node 8 node.next = Node(i) 9 node = node.next
链表的show方法，由于已经重载了__str__方法，这里只需要print自身即可。
1 def show(self): 2 print(self)
链表的length属性方法，用于返回链表的长度，利用装饰器定义成属性方法，调用时遍历链表计算长度最后返回即可。
1 @property 2 def length(self): 3 if self.header is None: 4 return 0 5 node = self.header # node pointer points to header 6 i = 1 7 while node.next: 8 node = node.next # node pointer move to next 9 i += 1 10 return i
链表的is_empty属性方法，用于检测链表是否为空，只需要查看头结点是否为None即可。
1 @property 2 def is_empty(self): 3 return self.header is None
链表的clear方法，用于清空链表，可以选择直接初始化链表或将链表的头结点指向None。
1 def clear(self): 2 self.__init__() 3 # self.header = None
链表的append方法，用于在链表尾部添加一个元素结点，这里只要直接调用后面的insert方法并插入到链表长度的那个位置即可。
1 def append(self, item): 2 self.insert(item, self.length)
链表的find方法，用于在链表中查找并返回某个结点，查找时会从链表的头部开始，遍历查找，直到找到查找的值或遇到None，这里的find方法有两点需要注意：
- 查找是依据元素的值进行查找，返回找到的第一个结点；
- 这里的查找方法如果遇到有环链表将无法自行检测退出
最后返回查找到的结点或None。
1 def find(self, item): 2 node = self.header 3 while node.next and node.value != item: 4 node = node.next 5 if node.value == item: 6 return node 7 return None
find_previous与find类似，返回查找结点的前一个结点。
1 def find_previous(self, item): 2 node = self.header 3 while node.next and node.next.value != item: 4 node = node.next 5 if node.next and node.next.value == item: 6 return node 7 return None
delete方法用于删除结点，基本思路在于，找到需要删除结点node_2的前一个结点node_1，将前一个结点node_1的next指针指向删除结点的下一个结点node_3，从而惰性删除了这个结点。
查找前一个结点可以使用前面定义的find_previous方法。
1 def delete(self, item): 2 ''' 3 node_1 -- X --> node_2 -----> node_3 4 \ / 5 \ / 6 ------------------ 7 ''' 8 prev = self.find_previous(item) 9 if prev: 10 prev.next = prev.next.next
insert方法用于向链表中插入一个结点，
基本思路在于，找到需要插入的位置前后的两个结点node_1和node_3，将node_1.next指向需要插入的结点node_2，再将node_2.next指向node_3，便完成了插入操作。
若插入的位置为头结点之前，则会替换原来的头结点为新插入的结点。
同时，这里的插入函数还支持index为负数的情况，类似于列表的负数索引。
1 def insert(self, item, index): 2 ''' 3 ----> node_2 --- 4 / \ 5 / \ 6 node_1 ------- X ---------> node_3 7 8 ''' 9 if abs(index) > self.length: 10 return 11 if index < 0: 12 self.insert(item, self.length+index+1) 13 return 14 elif index == 0: 15 self.insert(self.header.value, 1) 16 self.header.value = item 17 return 18 node = self.header 19 i = 0 20 while i < index-1: 21 node = node.next 22 i += 1 23 n = node.next 24 node.next = Node(item, n)
最后，定义一个测试函数用于测试链表的各种操作。
开始时显示空表
1 def test(li): 2 print('Show linked list:') 3 li.show()
得到结果
Show linked list:
None
接着初始化链表元素
1 print('\nInit linked list:') 2 li.init([1, 2, 3, 4, 5, 6, 'xd', 8, 9]) 3 li.show()
得到结果
Init linked list:
1->2->3->4->5->6->xd->8->9
再向链表中插入元素
1 print('\nInsert element:') 2 li.insert('xxd', -3) 3 li.show()
得到结果
Insert element:
1->2->3->4->5->6->xd->xxd->8->9
向链表末尾添加元素
1 print('\nAppend element:') 2 li.append('10') 3 li.show()
得到结果
Append element:
1->2->3->4->5->6->xd->xxd->8->9->10
查找元素
1 e = 'xd' 2 print('\nFind element:') 3 x = li.find(e) 4 print(x.value if x else x) 5 print('\nFind previous element:') 6 x = li.find_previous(e) 7 print(x.value if x else x)
得到结果
Find element:
xd
Find previous element:
6
删除元素
1 print('\nDelete element:') 2 li.delete('xd') 3 li.show()
得到结果
Delete element:
1->2->3->4->5->6->xxd->8->9->10
查找不存在的元素
1 print('\nFind element not exist:') 2 x = li.find(e) 3 print(x.value if x else x)
得到结果
Find element not exist: None
替换头结点
1 print('\nInsert element to header:') 2 li.insert('cc', 0) 3 li.show()
得到结果
Insert element to header:
cc->1->2->3->4->5->6->xxd->8->9->10
清空链表并查看链表信息
1 print('\nClear linked list:') 2 li.clear() 3 li.show() 4 5 print('\nCurrent length: %s' % li.length) 6 print('\nIs empty: %s' % li.is_empty)
得到结果
Clear linked list:
None
Current length: 0
Is empty: True
这种单链表带有一个标志结点，通常被称为表头或哑结点，表头通常位于位置0处，通常不会被改变。
Linked list with dummy header node:
Header -> node_1 -> node_2 -> node_3
带表头的单链表在实现时与不带表头的单链表类似，因此可以继承前面的单链表类来派生出一个带表头单链表类，其中需要进行修改和重载的方法主要有生成链表、判断链表为空和插入链表这几个方法。
1 from linked_list import Node, LinkedList, test 2 3 4 class LinkedListDummyHeader(LinkedList): 5 """ 6 Linked list with dummy header node: 7 Header -> node_1 -> node_2 -> node_3 8 """ 9 def __init__(self, iterable=()): 10 self.header = Node('Header', None) 11 if iterable: 12 self.init(iterable) 13 14 def init(self, iterable=()): 15 if not iterable: 16 return 17 node = self.header 18 for i in iterable: 19 node.next = Node(i) 20 node = node.next 21 22 @property 23 def is_empty(self): 24 return self.header.next is None 25 # if self.length == 1: 26 # return True 27 # return False 28 29 def insert(self, item, index): 30 if index == 0: 31 return 32 super(LinkedListDummyHeader, self).insert(item, index) 33 34 if __name__ == '__main__': 35 test(LinkedListDummyHeader())
__init__方法：
初始化时头结点不再指向None，而是指向表头。
init方法：
由于有表头的存在，因此创建初始链表的方法首先需要建立一个表头，再将所有元素依次加入链表中。
is_empty方法：
由于表头的存在，此时判断是否为空则可以根据表头指向结点是否为空，或链表长度是否为1来进行。
insert方法：
此处需要修改的地方在于当插入点为表头时，则应该直接返回或引发异常，无法修改表头。
最后利用单链表的测试函数进行测试得到结果
Show linked list: Header Init linked list: Header->1->2->3->4->5->6->xd->8->9 Insert element: Header->1->2->3->4->5->6->xd->xxd->8->9 Append element: Header->1->2->3->4->5->6->xd->xxd->8->9->10 Find element: xd Find previous element: 6 Delete element: Header->1->2->3->4->5->6->xxd->8->9->10 Find element not exist: None Insert element to header: Header->1->2->3->4->5->6->xxd->8->9->10 Clear linked list: Header Current length: 1 Is empty: True
