python基础综合：链表
导读
因为研究生生涯开始了，所以需要暂时停掉Java的学习，开始使用Python的学习和实践了。于是花了一个小时从完全没学过到实现了最基础的单链表。这里就记录一下。
链表结构复习
首先我们回顾链表由什么构成。在C语言中，对链表的定义就是：
链表是一种动态数据结构。它主要是利用动态内存分配、使用结构体并配合之镇来实现的一种数据结构。
——摘自《C语言程序设计（第三版）》苏小红、王宇颖、孙志岗等编著
也就是说，链表有以下几个特点：
-
是类似数组的链式结构
-
内存分配并不像数组一样完全连续
-
每个节点使用结构体，每个节点也就有了更高的自由度和更大的存储量
-
下一个节点的位置保存在上一个节点中
Python对比预习
复习了链表之后，让我们再看看Python语言相对于C语言和Java有什么不同：
-
不需要显式声明
private、protected和public -
对象名直接对应对象的地址，这一点和
Java非常相似 -
没有括号限制函数体，直接用缩进表示
-
None对应C语言和Java的null -
self代替了C语言和Java的this指针 -
魔法函数
__init__直接定义了结构体的属性构成，而不需要显式定义结构体具体有哪些属性
主要就是这些了。具体的细节我们遇到了再去查菜鸟教程就好了。当然，如果能够直接查Python官方文档更好，毕竟都贴心地给出了中文版（但是点进去每个函数的解释还是英文，而且没有实例）。
从节点的定义开始编码
那么，为了先熟悉Python的语法，我们先来个小小的结构体试试水：
# -*- coding: UTF-8 -*-
# 链表节点
class Node:
def __init__(self, data, next, index):
self.data = data
self.next = next
self.index = index
pass
pass
# 测试节点
node = Node(0, None, 0)
print(node.data)
当然，没有悬念，输出0。
第一行首先是确认字符编码。默认是UTF-8，根据需要可以更换成别的；其次是使用__init__函数定义一个具有三个属性的类作为结构体；最后的pass则是占位符，表示一个域的结束，相当于}。因为Python直接使用缩进表示是否结束，所以这个仅仅作为个人习惯出现在这里。
从链表的功能开始完善
既然我们完成了节点的构造，那么我们一口气把整个链表攻下来吧！
# 链表
class Link:
# 初始化 / 不需要参数，自带空的头节点
def __init__(self):
self.head = None
self.length = 0
pass
# 尾插法插入数据
def insert_tail(self, index, data):
# 当尾节点为空时，使用头插法确定尾节点
if self.tail is None:
self.insert_head(index, data)
pass
# 在尾节点非空时往后接节点
else:
node = Node(data, None, index)
self.tail.next = node
self.tail = node
pass
pass
# 头插法插入数据
def insert_head(self, index, data):
node = Node(data, self.head, index)
self.head = node
self.length += 1
# 当只有一个元素的时候，确定尾节点
if self.length == 1:
self.tail = node
pass
pass
# 输出链表 / 从头开始顺序输出
def output(self):
node = self.head
while node is not None:
print(f'{node.index}: {node.data}', end = ' ')
node = node.next
pass
print()
pass
pass
link = Link()
link.insert_head(1, 2)
link.insert_tail(3, 4)
link.output()
在这里的self关键字在函数体内就是作为this指针使用，而作为参数出现的时候就是声明该函数是一个成员函数。后面有一句：
print(f'{node.index}: {node.data}', end = ' ')
这是Python3.6以后的新特性，使用f直接将字符串格式化，另外使用end规定输出结尾是空格而不是默认的换行结尾。
于是，这次的输出就是：1:2 3:4。
全自动构造链表
但是这还差一个输入。不想一个字一个字输入的我直接定义了一个随机生成的函数，让链表自己随便生成什么东西。
# 文件开头加上：
import random
LETTERS = 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ'
LETTERS_LEN = len(LETTERS)
# 在Link类中添加成员函数
# 随机生成链表
def random_link(self):
size = random.randint(0, 20)
for i in range(0, size):
self.insert_tail(i + 1, LETTERS[random.randint(0, LETTERS_LEN - 1)])
pass
pass
# 全自动生成
if __name__ == '__main__':
link = Link()
link.random_link()
link.output()
pass
于是每次编译输出都有完全不一样的结果。
好了，到这里构造链表就没有什么大问题了。
删除节点
接下来就是很恼人的删除节点了。和C++一样，可以直接使用del命令显式删除对象。值得一提的是，这里显式删除之后只是将内存标记为“可使用”，该部分内存并没有被回收。之后GC会过来打扫的。
为了能够保持数组每次都是一致的，方便查看位置，这里添加了文件读取，能够在每次运行的时候从linklist.csv中读取一模一样的数据。
数据文件linklist.csv：
1
2
3
10
11
a
b
3
1000
7
p
q
h
@
!
,
>
shift
然后是读取文件并解决readline方法读取时最后的\n误读的情况：
# 读取固定的链表
def read_file(self, filepath):
index = 1
with open(filepath, 'r') as lines:
for line in lines:
self.insert_tail(index, line.rstrip('\n'))
index += 1
pass
pass
pass
接着是删除某个位置的节点。这里虽然没有难点，但是很难在细节上保持平衡。需要考虑以下几种情况：
-
链表没有节点
-
链表有且仅有一个节点
-
中间任意位置删除
-
要删除的是第一个元素
-
要删除的是最后一个元素
如果面面俱到，代码一定会纷繁复杂。所以我们需要根据这些非常神奇的地方巧妙避雷：
-
如果链表没有节点，直接结束
-
如果链表仅一个节点，删除时需要同时解除
head指针、tail指针，避免指针指了个寂寞，然后一脸哀怨的给你报了个错 -
在删除的时候，使用临时指针
node指向head指针或者tail指针，并删除node指针的时候，你会发现head和tail实际指向的地址依然存在原有的实例对象。所以实际步骤应当是先重置原先指向需要删除地址的指针，再删除临时指针 -
删除的时候需要在最后修改链表长度，避免下次使用的时候索引超限
# 使用索引删除节点
def delete_node_by_index(self, index):
# 没有节点
if self.head is None:
return
pass
# 删除头
elif index == 1:
node = self.head
self.head = self.head.next
del node
# 检查是不是只有这个节点
# 如果无视tail，head将会为None而tail保持原样
if self.head is None:
self.tail = self.head
pass
pass
# 中间任意位置删除
else:
node = self.get_node(index - 1)
temp = node.next
if temp is self.tail:
node.next = None
self.tail = node
del temp
pass
else:
node.next = temp.next
del temp
pass
pass
然后我们来测试一下：
# 测试删除是否成功
if __name__ == '__main__':
link = Link()
link.read_file('/home/sakebow/python/linklist/linklist.csv')
link.delete_node_by_index(link.length)
link.output()
pass
这里要强调的是read_file命令需要完整的绝对路径，否则无法读取文件。
当然，很完美地删掉了最后一个元素：
1: 1 2: 2 3: 3 4: 10 5: 11 6: a 7: b 8: 3 9: 1000 10: 7 11: p 12: q 13: h 14: @ 15: ! 16: , 17: >
接着我们再来完善匹配所有项的方法：
# 匹配内容删除节点
def delete_node_by_data(self, data):
# 强行改为有头节点的链表 / 内容随意，仅需保证next指向head
node = Node('a', self.head, 0)
# 保持标识，最后需要删除
# 如果head移动了也不要紧，node将会控制下一跳的位置
stay_head = node
# 游标，规定temp为必删项，node为上一项
temp = self.head
# 遍历链表
while temp is not None:
# 如果要删第一个
if temp is self.head and temp.data == data:
# 先重置
node.next = temp.next
# 检查tail
if temp is self.tail:
self.tail = self.head = node.next
pass
# 再删除
del temp
# 因为下次循环依然需要使用temp，所以重置为node下一跳
temp = node.next
# 修改长度
self.length -= 1
pass
# 中间任意项删除
# 原理同上
elif temp is not self.head and temp.data == data:
node.next = temp.next
if temp is self.tail:
self.tail = node
pass
del temp
temp = node.next
self.length -= 1
pass
# 如果不匹配，全部下一跳，且长度不变
else:
temp = temp.next
node = node.next
pass
# 最终删除辅助节点
del stay_head
pass
那我们来测试一下：
if __name__ == '__main__':
link = Link()
link.read_file('/home/sakebow/python/linklist/linklist.csv')
# 因为数据集里面3出现了两次，所以选择3
link.delete_node_by_data('3')
link.output()
pass
当然，最终结果把两个3全部删掉了：
1: 1 2: 2 4: 10 5: 11 6: a 7: b 9: 1000 10: 7 11: p 12: q 13: h 14: @ 15: ! 16: , 17: > 18: shift
也没有问题！
当然你也可以使用各种各样的数据测试。就算是60万行数据也能用 1 ′ 3 2 ′ ′ 1'32'' 1′32′′秒给出答案。（实际测量可能和电脑运算能力有误差）
总之，我认为是相当成功的。如果百万级甚至以上的数据量，如果使用多线程、优化数据结构也是能够解决相当一部分问题的。
模块化
最后，为了代码简洁、项目结构清晰，我们将各个部分拆开。
所以这里就总结性地贴上各个部分的文件内容：
Node.py
# 链表节点
class Node:
def __init__(self, data, next, index):
self.data = data
self.next = next
self.index = index
pass
pass
Link.py
from Node import *
# 链表
class Link:
# 初始化 / 不需要参数，自带空的头节点
def __init__(self):
self.head = None
self.tail = None
self.length = 0
pass
# 尾插法插入数据
def insert_tail(self, index, data):
if self.tail is None:
self.insert_head(index, data)
else:
node = Node(data, None, index)
self.tail.next = node
self.tail = node
self.length += 1
pass
# 头插法插入数据
def insert_head(self, index, data):
node = Node(data, self.head, index)
self.head = node
self.length += 1
# 当只有一个元素的时候，确定尾节点
if self.length == 1:
self.tail = node
pass
pass
# 输出链表
def output(self):
if self.head is None:
print('Nothing')
return
pass
else:
node = self.head
while node is not None:
print(f'{node.index}: {node.data}', end=' ')
node = node.next
pass
print()
pass
pass
# 随机生成链表
def random_link(self):
size = random.randint(0, 20)
for i in range(0, size):
self.insert_tail(i + 1, LETTERS[random.randint(0, LETTERS_LEN - 1)])
pass
pass
# 读取固定的链表
def read_file(self, filepath):
index = 1
with open(filepath, 'r') as lines:
for line in lines:
self.insert_tail(index, line.rstrip('\n'))
index += 1
pass
pass
pass
# 通过索引获得指定节点
def get_node(self, index):
node = self.head
for i in range(1, index):
node = node.next
pass
pass
return node
# 匹配内容删除节点
def delete_node_by_data(self, data):
# 强行改为有头节点的链表
node = Node('a', self.head, 0)
# 保持标识，最后需要删除
stayHead = node
# 游标，规定temp为必删项，node为上一项
temp = self.head
while temp is not None:
if temp is self.head and temp.data == data:
node.next = self.head = temp.next
if temp is self.tail:
self.tail = self.head = node.next
pass
del temp
temp = node.next
self.length -= 1
pass
elif temp is not self.head and temp.data == data:
node.next = temp.next
if temp is self.tail:
self.tail = node
pass
del temp
temp = node.next
self.length -= 1
pass
else:
temp = temp.next
node = node.next
pass
del stayHead
pass
# 使用索引删除节点
def delete_node_by_index(self, index):
if self.head is None:
return
pass
elif index == 1:
node = self.head
self.head = self.head.next
if self.head is None:
self.tail = self.head
pass
pass
del node
else:
node = self.get_node(index - 1)
temp = node.next
if temp is self.tail:
node.next = None
self.tail = node
del temp
pass
else:
node.next = temp.next
del temp
pass
pass
pass
linklist.csv
由于文件非常大，一共22932行数据，所以我放到了GitHub上，大家可以点击我的GitHub下载完整文件。
linklist.py（主文件）
# -*- coding: UTF-8 -*-
import random
from Link import *
LETTERS = 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ'
LETTERS_LEN = len(LETTERS)
if __name__ == '__main__':
link = Link()
link.read_file('/home/sakebow/python/linklist/linklist.csv')
# link.delete_node_by_index(link.length)
link.delete_node_by_data('3')
link.output()
pass