单向链表、单向循环链表、双向链表（Python）
链表的定义
- 链表（Linked list）是一种常见的基础数据结构，是一种线性表，但是不像顺序表一样连续存储数据，而是在每一个节点（数据存储单元）里存放下一个节点的位置信息（即地址）；
- 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，而在进行扩充时又需要进行数据的搬迁，所以使用起来并不是很灵活；
- 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。
1.单向链表
单向链表也叫单链表，是链表中最简单的一种形式，它的每个节点包含两个域，一个信息域（元素域）和一个链接域。这个链接指向链表中的下一个节点，而最后一个节点的链接域则指向一个空值。
- 表元素域
elem用来存放具体的数据； - 链接域
next用来存放下一个节点的位置（python中的标识）； - 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.单向循环链表
单链表的一个变形是单向循环链表，链表中最后一个节点的next域不再为None，而是指向链表的头节点。
3.双向链表
一种更复杂的链表是“双向链表”或“双面链表”。每个节点有两个链接：一个指向前一个节点，当此节点为第一个节点时，指向空值；而另一个指向下一个节点，当此节点为最后一个节点时，指向空值。
4.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如下所示：
| 操作 | 链表 | 顺序表 |
|---|---|---|
| 访问元素 | O(n) | O(1) |
| 在头部插入/删除 | O(1) | O(n) |
| 在尾部插入/删除 | O(n) | O(1) |
| 在中间插入/删除 | O(n) | O(n) |
注意======>>虽然表面看起来复杂度都是 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。
5.自定义单向链表
# 单链表的结点
class SingleNode(object):
def __init__(self, item):
self.item = item # item存放数据元素
self.next = None # next是下一个节点的标识
# 单链表
class SingleLinkList(object):
def __init__(self):
self.__head = None
def is_empty(self):
return self.__head == None
def length(self):
cur = self.__head # cur初始时指向头节点
count = 0
while cur != None: # 尾节点指向None，当未到达尾部时, 将cur后移一个节点
count += 1
cur = cur.next
return count
def travel(self):
cur = self.__head
while cur != None:
print(cur.item)
cur = cur.next
print("")
def add(self, item): # 头部添加元素
node = SingleNode(item) # 先创建一个保存item值的节点
node.next = self.__head # 将新节点的链接域next指向头节点，即__head指向的位置
self.__head = node # 将链表的头_head指向新节点
def append(self, item): # 尾部添加元素
node = SingleNode(item)
if self.is_empty(): # 先判断链表是否为空，若是空链表，则将_head指向新节点
self.__head = node
else: # 若不为空，则找到尾部，将尾节点的next指向新节点
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
if pos <= 0: # 若指定位置pos为第一个元素之前，则执行头部插入
self.add(item)
elif pos > (self.length() - 1): # 若指定位置超过链表尾部，则执行尾部插入
self.append(item)
else: # 找到指定位置
node = SingleNode(item)
count = 0
pre = self.__head # pre用来指向指定位置pos的前一个位置pos-1，初始从头节点开始移动到指定位置
while count < (pos - 1):
count += 1
pre = pre.next
node.next = pre.next # 先将新节点node的next指向插入位置的节点
pre.next = node # 将插入位置的前一个节点的next指向新节点
def remove(self, item): # 删除节点
cur = self.__head
pre = None
while cur != None:
if cur.item == item: # 找到了指定元素
if not pre: # 如果第一个就是删除的节点
self.__head = cur.next # 将头指针指向头节点的后一个节点
else:
pre.next = cur.next # 将删除位置前一个节点的next指向删除位置的后一个节点
break
else:
pre = cur # 继续按链表后移节点
cur = cur.next
def search(self, item): # 链表查找节点是否存在，并返回True或者False
cur = self.__head
while cur != None:
if cur.item == item:
return True
cur = cur.next
return False
if __name__ == '__main__':
ll = SingleLinkList()
ll.add(1)
ll.add(2)
ll.append(3)
ll.append(3)
ll.insert(2, 4)
print("length:", ll.length())
print(ll)
ll.travel()
print(ll.search(3))
print(ll.search(5))
ll.remove(3)
ll.travel()
print("length:", ll.length())
===运行结果：=====================================================================
length: 5
<__main__.SingleLinkList object at 0x000001CD187F87B8>
2
1
4
3
3
True
False
2
1
4
3
length: 4
6.自定义单向循环链表
"""单向循环链表节点"""
class Node(object):
def __init__(self, item):
self.item = item
self.next = None
"""单向循环链表"""
class SinCycLinkedlist(object):
def __init__(self):
self.__head = None
def is_empty(self):
return self.__head == None
def length(self):
if self.is_empty():
return 0
count = 1
cur = self.__head
while cur.next != self.__head:
count += 1
cur = cur.next
return count
def travel(self): # 遍历链表
if self.is_empty():
return
cur = self.__head
print(cur.item)
while cur.next != self.__head:
cur = cur.next
print(cur.item)
print("")
def add(self, item): # 头部添加元素
node = Node(item)
if self.is_empty():
self.__head = node
node.next = self.__head
else:
node.next = self.__head # 添加的节点指向_head
cur = self.__head # 移到链表尾部，将尾部节点的next指向node
while cur.next != self.__head:
cur = cur.next
cur.next = node
self.__head = node # head指向添加node的
def append(self, item): # 尾部添加元素
node = Node(item)
if self.is_empty():
self.__head = node
node.next = self.__head
else:
cur = self.__head # 移到链表尾部
while cur.next != self.__head:
cur = cur.next
cur.next = node # 将尾节点指向node
node.next = self.__head # 将node指向头节点_head
def insert(self, pos, item): # 在指定位置添加元素
if pos <= 0:
self.add(item)
elif pos > (self.length()-1):
self.append(item)
else:
node = Node(item)
cur = self.__head
count = 0
while count < (pos-1): # 移动到指定位置的前一个位置
count += 1
cur = cur.next
node.next = cur.next
cur.next = node
def remove(self, item): # 删除一个元素
if self.is_empty(): # 若链表为空，则直接返回空
return
cur = self.__head # 将cur指向头节点
pre = None
while cur.next != self.__head:
if cur.item == item:
if cur == self.__head: # 先判断此结点是否是头节点
# 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 # 两种方法
pre.next = self.__head
def search(self, item): # 查找节点是否存在
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
if __name__ == '__main__':
ll = SinCycLinkedlist()
ll.add(1)
ll.add(2)
ll.append(3)
print(ll)
ll.append(3)
ll.insert(2, 4)
ll.insert(4, 5)
ll.insert(0, 6)
print(ll)
print("length:", ll.length())
ll.travel()
print(ll.search(3))
print(ll.search(7))
ll.remove(1)
ll.remove(10)
print("length:", ll.length())
ll.travel()
===运行结果：=====================================================================
<__main__.SinCycLinkedlist object at 0x000001414D648828>
<__main__.SinCycLinkedlist object at 0x000001414D648828>
length: 7
6
2
1
4
3
5
3
True
False
length: 6
6
2
4
3
5
3
7.自定义双向链表
"""双向链表节点"""
class Node(object):
def __init__(self, item):
self.item = item
self.next = None
self.prev = None
"""双向链表"""
class DoubleLinkList(object):
def __init__(self):
self.__head = None
def is_empty(self): # 判空
return self.__head == None
def length(self): # 链表长度
cur = self.__head
count = 0
while cur != None:
count += 1
cur = cur.next
return count
def travel(self): # 遍历
cur = self.__head
while cur != None:
print(cur.item)
cur = cur.next
print("")
def add(self, item): # 头部插入元素
node = Node(item)
if self.is_empty():
self.__head = node # 如果是空链表，将_head指向node
else:
node.next = self.__head # 将node的next指向_head的头节点
self.__head.prev = node # 将_head的头节点的prev指向node
self.__head = node # 将_head 指向node
def append(self, item): # 尾部追加元素
node = Node(item)
if self.is_empty(): # 如果是空链表，将_head指向node
self.__head = node
else: # 移动到链表尾部
cur = self.__head
while cur.next != None:
cur = cur.next
cur.next = node # 将尾节点cur的next指向node
node.prev = cur # 将node的prev指向cur
def search(self, item): # 查找元素是否存在
cur = self.__head
while cur != None:
if cur.item == item:
return True
cur = cur.next
return False
def insert(self, pos, item): # 在指定位置添加节点
if pos <= 0:
self.add(item)
elif pos > (self.length() - 1):
self.append(item)
else:
node = Node(item)
cur = self.__head
count = 0
while count < (pos - 1): # 移动到指定位置的前一个位置
count += 1
cur = cur.next
node.prev = cur # 将node的prev指向cur
node.next = cur.next # 将node的next指向cur的下一个节点
cur.next.prev = node # 将cur的下一个节点的prev指向node
cur.next = node # 将cur的next指向node
def remove(self, item): # 删除元素
cur = self.__head
while cur != None:
if cur.item == item: # 找到要删除的元素
if cur == self.__head: # 判断是否是头节点
self.__head = cur.next
if cur.next: # 如果存在下一个结点，则设置下一个结点
cur.next.prev = None
else:
cur.prev.next = cur.next
if cur.next: # 如果存在下一个结点，则设置下一个结点
cur.next.prev = cur.prev
break
else:
cur = cur.next
if __name__ == '__main__':
ll = DoubleLinkList()
ll.add(1)
ll.add(3)
ll.append(3)
ll.insert(2, 4)
ll.insert(4, 5)
ll.insert(0, 6)
print(ll)
print("length:", ll.length())
ll.travel()
print(ll.search(3))
print(ll.search(7))
ll.remove(1)
ll.remove(10)
print("length:", ll.length())
===运行结果：=====================================================================
<__main__.DoubleLinkList object at 0x00000242067787F0>
length: 6
6
3
1
4
3
5
True
False
length: 5