Python數據結構筆記【二】單鏈表、雙鏈表、循環鏈表實現

鏈表

3.1 單向鏈表

引言-PYTHON變量的本質

python裏一切皆對象，對象有內存空間（圖示裏的框框），那麼賦值等號，實際上就相當於是箭頭指向。變量方框裏存儲的就是要指向的存儲地址。

結構

   單向鏈表也叫單鏈表，是鏈表中最簡單的一種形式，它的每個節點包含兩個域，一個信息域（元素域）和一個鏈接域。這個鏈接指向鏈表中的下一個節點，而最後一個節點的鏈接域則指向一個空值。

• 表元素域elem用來存放具體的數據。
• 鏈接域next用來存放下一個節點的位置（python中的標識）
• 變量p指向鏈表的頭節點（首節點）的位置，從p出發能找到表中的任意節點。

節點實現

class SingleNode(object):
    """單鏈表的結點"""
    def __init__(self,item):
        # item存放數據元素
        self.item = item
        # next是下一個節點的標識
        self.next = None

3.2 單鏈表的操作

• is_empty() 鏈表是否爲空
• length() 鏈表長度
• travel() 遍歷整個鏈表
• add(item) 鏈表頭部添加元素
• append(item) 鏈表尾部添加元素
• insert(pos, item) 指定位置添加元素
• remove(item) 刪除節點
• search(item) 查找節點是否存在

3.3 單鏈表的實現

class SingleLinkList(object):
    """單鏈表"""
    def __init__(self):
        self.__head = None

    def is_empty(self):
        """判斷鏈表是否爲空"""
        return self.__head == None

    def length(self):
        """鏈表長度"""
        # cur初始時指向頭節點
        cur = self.__head
        count = 0
        # 尾節點指向None，當未到達尾部時
        while cur != None:
            count += 1
            # 將cur後移一個節點
            cur = cur.next
        return count

    def travel(self):
        """遍歷鏈表"""
        cur = self.__head
        while cur != None:
            print cur.item,
            cur = cur.next
        print ""

1 頭部添加元素

def add(self, item):
        """頭部添加元素"""
        # 先創建一個保存item值的節點
        node = SingleNode(item)
        # 將新節點的鏈接域next指向頭節點，即_head指向的位置
        node.next = self.__head
        # 將鏈表的頭_head指向新節點
        self.__head = node

2 尾部添加元素**

def append(self, item):
        """尾部添加元素"""
        node = SingleNode(item)
        # 先判斷鏈表是否爲空，若是空鏈表，則將_head指向新節點
        if self.is_empty():
            self.__head = node
        # 若不爲空，則找到尾部，將尾節點的next指向新節點
        else:
            cur = self.__head
            while cur.next != None:
                cur = cur.next
            cur.next = node

3 指定位置添加元素

def insert(self, pos, item):
        """指定位置添加元素"""
        # 若指定位置pos爲第一個元素之前，則執行頭部插入
        if pos <= 0:
            self.add(item)
        # 若指定位置超過鏈表尾部，則執行尾部插入
        elif pos > (self.length()-1):
            self.append(item)
        # 找到指定位置
        else:
            node = SingleNode(item)
            count = 0
            # pre用來指向指定位置pos的前一個位置pos-1，初始從頭節點開始移動到指定位置
            pre = self.__head
            while count < (pos-1):
                count += 1
                pre = pre.next
            # 先將新節點node的next指向插入位置的節點
            node.next = pre.next
            # 將插入位置的前一個節點的next指向新節點
            pre.next = node

4 刪除節點

def remove(self,item):
        """刪除節點"""
        cur = self.__head
        pre = None
        while cur != None:
            # 找到了指定元素
            if cur.item == item:
                # 如果第一個就是刪除的節點
                if not pre:
                    # 將頭指針指向頭節點的後一個節點
                    self.__head = cur.next
                else:
                    # 將刪除位置前一個節點的next指向刪除位置的後一個節點
                    pre.next = cur.next
                break
            else:
                # 繼續按鏈表後移節點
                pre = cur
                cur = cur.next

5 查找節點是否存在

def search(self,item):
        """鏈表查找節點是否存在，並返回True或者False"""
        cur = self.__head
        while cur != None:
            if cur.item == item:
                return True
            cur = cur.next
        return False

6 測試

if __name__ == "__main__":
    ll = SingleLinkList()
    ll.add(1)
    ll.add(2)
    ll.append(3)
    ll.insert(2, 4)
    print "length:",ll.length()
    ll.travel()
    print ll.search(3)
    print ll.search(5)
    ll.remove(1)
    print "length:",ll.length()
    ll.travel()

3.4 鏈表與順序表的對比

鏈表失去了順序表隨機讀取的優點，同時鏈表由於增加了結點的指針域，空間開銷比較大，但對存儲空間的使用要相對靈活。

鏈表與順序表的各種操作複雜度如下所示：

操作 鏈表 順序表
訪問元素 O(n) O(1)
在頭部插入/刪除 O(1) O(n)
在尾部插入/刪除 O(n) O(1)
在中間插入/刪除 O(n) O(n)

注意雖然表面看起來複雜度都是 O(n)，但是鏈表和順序表在插入和刪除時進行的是完全不同的操作。鏈表的主要耗時操作是遍歷查找，刪除和插入操作本身的複雜度是O(1)。順序表查找很快，主要耗時的操作是拷貝覆蓋。因爲除了目標元素在尾部的特殊情況，順序表進行插入和刪除時需要對操作點之後的所有元素進行前後移位操作，只能通過拷貝和覆蓋的方法進行。

3.5 雙向鏈表

1 結構分析

一種更復雜的鏈表是“雙向鏈表”或“雙面鏈表”。每個節點有兩個鏈接：一個指向前一個節點，當此節點爲第一個節點時，指向空值；而另一個指向下一個節點，當此節點爲最後一個節點時，指向空值。

2 操作

• is_empty() 鏈表是否爲空
• length() 鏈表長度
• travel() 遍歷鏈表
• add(item) 鏈表頭部添加
• append(item) 鏈表尾部添加
• insert(pos, item) 指定位置添加
• remove(item) 刪除節點
• search(item) 查找節點是否存在

3.6 實現

class Node(object):
    """雙向鏈表節點"""
    def __init__(self, item):
        self.item = item
        self.next = None
        self.prev = None


class DLinkList(object):
    """雙向鏈表"""
    def __init__(self):
        self.__head = None

    def is_empty(self):
        """判斷鏈表是否爲空"""
        return self.__head == None

    def length(self):
        """返回鏈表的長度"""
        cur = self.__head
        count = 0
        while cur != None:
            count += 1
            cur = cur.next
        return count

    def travel(self):
        """遍歷鏈表"""
        cur = self.__head
        while cur != None:
            print cur.item,
            cur = cur.next
        print ""

    def add(self, item):
        """頭部插入元素"""
        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            # 如果是空鏈表，將_head指向node
            self.__head = node
        else:
            # 將node的next指向_head的頭節點
            node.next = self.__head
            # 將_head的頭節點的prev指向node
            self.__head.prev = node
            # 將_head 指向node
            self.__head = node

    def append(self, item):
        """尾部插入元素"""
        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            # 如果是空鏈表，將_head指向node
            self.__head = node
        else:
            # 移動到鏈表尾部
            cur = self.__head
            while cur.next != None:
                cur = cur.next
            # 將尾節點cur的next指向node
            cur.next = node
            # 將node的prev指向cur
            node.prev = 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

1 指定位置插入節點

def insert(self, pos, item):
        """在指定位置添加節點"""
        if pos <= 0:
            self.add(item)
        elif pos > (self.length()-1):
            self.append(item)
        else:
            node = Node(item)
            cur = self.__head
            count = 0
            # 移動到指定位置的前一個位置
            while count < (pos-1):
                count += 1
                cur = cur.next
            # 將node的prev指向cur
            node.prev = cur
            # 將node的next指向cur的下一個節點
            node.next = cur.next
            # 將cur的下一個節點的prev指向node
            cur.next.prev = node
            # 將cur的next指向node
            cur.next = node

2 刪除元素

def remove(self, item):
        """刪除元素"""
        cur = self.__head
        while cur != None:
            # 找到了要刪除的元素
            if cur.item == item:
                # 先判斷此結點是否是頭節點
                # 頭節點
                if cur == self.__head:
                    self.__head = cur.next
                    # 如果存在下一個結點，則設置下一個結點
                    if cur.next:
                        # 判斷鏈表是否只有一個結點
                        cur.next.prev = None
                else:
                    cur.prev.next = cur.next
                    # 如果存在下一個結點，則設置下一個結點
                    if cur.next:
                        cur.next.prev = cur.prev
                break
            else:
                cur = cur.next

3 測試

if __name__ == "__main__":
    ll = DLinkList()
    ll.add(1)
    ll.add(2)
    ll.append(3)
    ll.insert(2, 4)
    ll.insert(4, 5)
    ll.insert(0, 6)
    print "length:",ll.length()
    ll.travel()
    print ll.search(3)
    print ll.search(4)
    ll.remove(1)
    print "length:",ll.length()
    ll.travel()

3.7 單向循環鏈表

1 結構

單鏈表的一個變形是單向循環鏈表，鏈表中最後一個節點的next域不再爲None，而是指向鏈表的頭節點。

2 操作

• is_empty() 判斷鏈表是否爲空
• length() 返回鏈表的長度
• travel() 遍歷
• add(item) 在頭部添加一個節點
• append(item) 在尾部添加一個節點
• insert(pos, item) 在指定位置pos添加節點
• remove(item) 刪除一個節點
• search(item) 查找節點是否存在

3 實現

class Node(object):
    """節點"""
    def __init__(self, item):
        self.item = item
        self.next = None


class SinCycLinkedlist(object):
    """單向循環鏈表"""
    def __init__(self):
        self.__head = None

    def is_empty(self):
        """判斷鏈表是否爲空"""
        return self.__head == None

    def length(self):
        """返回鏈表的長度"""
        # 如果鏈表爲空，返回長度0
        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):
        """遍歷鏈表"""
        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):
        """頭部添加節點"""
        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            self.__head = node
            node.next = self.__head
        else:
            #添加的節點指向_head
            node.next = self.__head
            # 移到鏈表尾部，將尾部節點的next指向node
            cur = self.__head
            while cur.next != self.__head:
                cur = cur.next
            cur.next = node
            #_head指向添加node的
            self.__head = node

    def append(self, item):
        """尾部添加節點"""
        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            self.__head = node
            node.next = self.__head
        else:
            # 移到鏈表尾部
            cur = self.__head
            while cur.next != self.__head:
                cur = cur.next
            # 將尾節點指向node
            cur.next = node
            # 將node指向頭節點_head
            node.next = self.__head

    def insert(self, pos, item):
        """在指定位置添加節點"""
        if pos <= 0:
            self.add(item)
        elif pos > (self.length()-1):
            self.append(item)
        else:
            node = Node(item)
            cur = self.__head
            count = 0
            # 移動到指定位置的前一個位置
            while count < (pos-1):
                count += 1
                cur = cur.next
            node.next = cur.next
            cur.next = node

    def remove(self, item):
        """刪除一個節點"""
        # 若鏈表爲空，則直接返回
        if self.is_empty():
            return
        # 將cur指向頭節點
        cur = self.__head
        pre = None
        while cur.next != self.__head:
            if cur.item == item:
                # 先判斷此結點是否是頭節點
                if cur == self.__head:
                    # 頭節點的情況
                    # 找尾節點
                    rear = self.__head
                    while rear.next != self.__head:
                        rear = rear.next
                    self.__head = cur.next
                    rear.next = self.__head
                else:
                    # 中間節點
                    pre.next = cur.next
                return
            else:
                pre = cur
                cur = cur.next
        # 退出循環，cur指向尾節點
        if cur.item == item:
            if cur == self.__head:
                # 鏈表只有一個節點
                self.__head = None
            else:
                # pre.next = cur.next
                pre.next = self.__head

    def search(self, item):
        """查找節點是否存在"""
        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)
    ll.insert(2, 4)
    ll.insert(4, 5)
    ll.insert(0, 6)
    print "length:",ll.length()
    ll.travel()
    print ll.search(3)
    print ll.search(7)
    ll.remove(1)
    print "length:",ll.length()
    ll.travel()