数据结构(python实现)：单链表

第一部分：单链表

一.链表引入

顺序表的构建需要预先知道数据大小来申请连续的存储空间，使用起来不灵活。链表结构可以充分利用计算机内存空间，实现灵活的内存动态管理。
链表（Linked list）是一种常见的基础数据结构，是一种线性表，每个节点有数据区和链接区，链接区存放下一个节点的位置信息（即地址）。

二.单链表的定义及本质

1.定义：单链表是链表中最简单的一种形式，每个节点包含一个信息域（元素域）和一个链接域。元素域用来存放具体的数据，链接域用来存放下一个节点的位置（python中的标识），而最后一个节点的链接域则指向一个空值。变量p指向链表的头节点（首节点）的位置，从p出发能找到表中的任意节点。

2.python中变量标识的本质：例如a=10，变量标识a保存的不是数据本身，而是储存10的地址。

3.结点(node)、单链表及相关方法的代码实现：

class SingleNode(object):
    '''单链表的结点定义'''
    def __init__(self,item):
        # item存放数据元素，next是下一结点的标识
        self.item = item
        self.next = None

class SingleLinkList(object):
    '''单链表定义'''
    def __init__(self,node=None):
        # _开头标识私有属性
        self._head = node

    def is_empty(self):
        # 判断链表是否为空
        return self._head == None

    def length(self):
        # 链表长度，cur初始指向头结点
        count = 0
        cur = self._head
        while cur!= None:
            count += 1
            cur = cur.next
        return count

    def travel(self):
        # 遍历整个链表
        cur = self._head
        while cur != None:
            print(cur.item,end = ' ')
            cur = cur.next
        print('\nFinish.')

    def add(self,item):
        # 链表头部添加元素，先创建一个保存item值的结点
        node = SingleNode(item)
        node.next = self._head
        self._head = node

    def append(self,item):
        # 链表尾部添加元素
        node = SingleNode(item)
        # 先判断链表是否为空，若是空链表，则将_head指向新节点
        if self.is_empty():
            self._head = node
        else:
            cur = self._head
            while cur.next != None:
                cur = cur.next
            cur.next = node

    def insert(self,pos,item):
        # 指定位置添加元素，指定位置分头部、尾部和中间
        if pos <= 0:
            self.add(item)
        elif pos > (self.length()-1):
            self.append(item)
        else:
            count = 0
            node = SingleNode(item)
            # pre用来指向pos的前一个位置
            pre = self._head
            while count < (pos-1):
                count += 1
                pre = pre.next
            node.next = pre.next
            pre.next = node

    def remove(self,item):
        # 删除节点
        cur = self._head
        pre = None
        while cur != None:
            # 找到了指定元素
            if cur.item == item:
                # 如果要删除的是头结点
                if cur == self._head:
                    # 将头指针指向头结点的后一个结点
                    self._head = cur.next
                else:
                    # 将删除位置前一个结点的next指向删除位置的后一个结点
                    pre.next = cur.next
                break
            else:
                # 继续按链表后移结点
                pre = cur
                cur = cur.next

    def remove1(self,item):
        # 删除节点
        if self._head.item == item:
            self._head = self._head.next
        else:
            pre = self._head
            while pre.next:
                if pre.next.item == item:
                    pre.next = pre.next.next
                    break

    def search(self,item):
        # 查找节点是否存在
        cur = self._head
        while cur != None:
            if cur.item == item:
                return True
            cur = cur.next
        return False

if __name__ == '__main__':
    l1 = SingleLinkList()
    l1.add(1)
    l1.add(2)
    l1.append(3)
    l1.insert(2,4)
    print('length:',l1.length())
    l1.travel()
    print(l1.search(3))
    print(l1.search(5))
    l1.remove1(1)
    print('length:',l1.length())
    l1.travel()

三.单链表与顺序表的对比

链表失去了顺序表随机读取的优点，同时链表由于增加了结点的指针域，空间开销比较大，但对存储空间的使用要相对灵活。
链表与顺序表的各种操作复杂度：
注：复杂度都是 O(n)，但是链表和顺序表在插入和删除时进行的是完全不同的操作。链表的主要耗时操作是遍历查找，删除和插入操作本身的复杂度是O(1)。顺序表查找很快，主要耗时的操作是拷贝覆盖。因为除了目标元素在尾部的特殊情况，顺序表进行插入和删除时需要对操作点之后的所有元素进行前后移位操作，只能通过拷贝和覆盖的方法进行。