Python中常用的数据结构—链表

2022年 11月 6日

Python中常用的数据结构—链表

常用的数据结构有数组、链表(一对一)、栈和队列、哈希表、树(一对多)、图(多对多)等结构。
在本目录下我们将讲解，通过python语言实现常用的数据结构。

2.链表

2.1链表的结构
链表（linked list）是一种在物理上非连续、非顺序的数据结构，由若干节点（node）所组成。
（1）单向链表的每一个节点又包含两部分，一部分是存放数据的变量data，另一部分是指向下一节点的指针next。
表示方式如下：

#定义单链表节点
class Node:
    def __init__(self, data):
        self.data = data
        self.next = None

（2）双向链表不仅能找到下一个节点，还可回溯到前置节点。其每一个节点包括data变量，next和prev指针。
表示方式如下：

#定义双向链表节点
class Node:
    def __init__(self, data):
        self.data = data
        self.next = None
        self.prev = None

2.2链表的基本操作
（1）查找操作
在查找元素时，链表不像数组那样可以通过下标快速进行定位，只能从头结点开始向后一个一个节点主义查找。步骤：首先定位到头结点，然后根据头结点的next指针，定位到下一个节点，就这样不断通过next指针顺序定位，直到定位到要查找的元素。
关键点：链表中的数据只能按顺序进行访问，最坏的时间复杂度是O(n)。
（2）更新（修改）节点
如果不考虑查找节点的过程，链表的更新过程会像数组那样简单，直接把旧数据(data)替换成新数据(data)即可。
（3）插入节点

尾部插入
尾部插入，是最简单的情况，把最后一个节点的next指针指向新插入的节点即可。
头部插入
第一步，把新节点的next的指针指向原先的头结点。
第二步，把新节点变为链表的头结点。
中间插入
第一步，新节点的next指针指向插入位置的节点。
第二步，插入位置前置节点的next指针，指向新节点。
（4）删除元素
尾部删除
尾部删除，是最简单的情况，把倒数第2个节点的next指针指向空即可。
头部删除
头部删除，也很简单，把链表的头结点设为原先头结点的next指针所指向的节点即可。
中间删除
中间删除，同样很简单，只需把删除节点的前置节点的next指针，指向要删除的节点的下一个节点即可。
注意：许多高级语言，如java、python，拥有自动化的垃圾回收机制，所以我们不用刻意去释放被删除的节点，只要没有外部引用指向它们，被删除的节点会被自动回收。
关键点：如果不考虑插入、删除操作之前查找元素的过程，只考虑纯粹的插入和删除操作。时间复杂度都是O(1)。
下面程序是实现，链表的查找、插入、删除操作。为了尾部插入的方便，代码中额外增加了指向链表尾节点的指针last。

class Node:
    def __init__(self, data):
        self.data = data
        self.next = None

class LinkedList:
    def __init__(self):
        self.size = 0 #节点的个数
        self.head = None #初始化节点的头指针
        self.last = None #初始化节点的尾指针

    #查找第几个节点，index表示第几个节点，不是索引号
    def get(self,index):
        if index < 0 or index >= self.size:
            raise Exception("超出链表节点范围！")
        p = self.head
        for i in range(index):
            p = p.next
        return p
    def insert(self, data, index):
        if index < 0 or index > self.size:
            raise Exception("超出链表节点范围！")
        node = Node(data)
        #空链表
        if self.size == 0:
            self.head = node
            self.last = node
        #插入头部
        elif index == 0:
            node.next = self.head
            self.head = node
        #插入尾部
        elif index == self.size:
            self.last.next = node
            self.last = node
            #此处不需要让node.next指向None，默认指向None了
        #插入中间
        else:
            pre_node = self.get(index-1)#查找到插入节点的前置节点
            node.next = pre_node.next
            pre_node.next = node
        self.size += 1 #不要忘记插入节点后，链表的节点数要加1

    def remova(self, index):
        if index < 0 or index >= self.size:
            raise Exception("超出链表节点范围！")
        #暂存被删除的节点,用于返回
        #删除头结点
        if index == 0:
            remove_node = self.head
            self.head = self.head.next
        #删除尾节点
        elif index == self.size:
            pre_node = self.get(index-1)
            remove_node = pre_node.next
            pre_node.next = None
            self.last = pre_node
        #删除中间节点
        else:
            pre_node = self.get(index-1)
            next_node = pre_node.next.next
            remove_node = pre_node.next
            pre_node.next = next_node
        self.size -= 1 #不要忘记删除节点后，链表的节点数要减1
        return remove_node

    def output(self):
        p = self.head
        # while p :
        while p is not None:
            print(p.data,end="\t")
            p = p.next

linklist = LinkedList()
linklist.insert(30, 0)
linklist.insert(60, 0)
linklist.insert(20, 1)
linklist.insert(90, 0)
linklist.output()
#结果为：90	60	20	30
print() #换行符
linklist.remova(0)
linklist.output()
#结果为：60	20	30