Python单链表原理与实现方法详解

2024-09-29 07:30:28

本文实例讲述了Python单链表原理与实现方法。分享给大家供大家参考，具体如下：

Python实现单链表

关于链表

链表（Linked List）是由许多相同数据类型的数据项按照特定顺序排列而成的线性表。
链表中个数据项在计算机内存中的位置是不连续且随机的，数组在内存中是连续的。
链表数据的插入和删除很方便，但查找数据效率低下，不能像数组一样随机读取数据。

单链表的实现

一个单向链表的节点由数据字段和指针组成，指针指向下一个元素所在内存地址
定义一个链表节点类,self.value实例属性表示节点数据字段；self.next表示指针；初始化值为None

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

在单链表中第一个节点为头(head)指针节点(即头指针指向的节点为单链表第一个节点，后续简称头指针节点)，从头指针节点出发可以遍历整个链表，进行元素查找，插入和删除，非常重要。一般不移动head头指针。
单链表中最后一个节点为尾节点，其指针为None，表示结束。
建立单链表我们首先需要创建头指针节点（引入头指针是为了方便操作单链表，对于头指针节点，只有指针域指向链表第一个节点，不含实际值）

class linkedList(object):
  def __init__(self):
    self.head = Node()	# 创建头指针结点
    self.length = 0	# 初始链表长度，头指针节点不计入长度
  def __len__(self):	# 重写特殊方法返回self.length
    return self.length

链表初始化之后，开始定义链表方法
链表头部插入节点：
- 调用Node()传入待插入的值value创建待插入节点
- 判断当前链表是否为空链表，链表为空：
  - 插入节点既是链表头指针指向的节点也是尾节点(指向None)
- 链表不为空：
  - 待插入节点指向原头指针节点，头指针重新指向待插入节点
  - 首先需要将原头指针结点，存放到临时变量中(防止head指针变更时，指针断裂导致数据丢失，链表中指针就是连接的纽带，其中某个纽带断裂(即指针指向其他)则后续数据都将丢失)
  - 将头指针指向新插入节点
  - 新插入节点指针指向原头指针节点
  - 长度+1
- ```
  def head_insert(self, value): # 链表头部插入
    node = Node(value)
    if self.head.next == None:
      self.head.next = node
      node.next = None
    else:
      # 插入元素指针域指向原head元素
      tmp_head = self.head.next # 原头指针节点存储到tmp_head
      self.head.next = node # 新head指针指向node
      node.next = tmp_head # 新插入节点指向原头指针节点
    self.length += 1
```
链表头部删除节点：
- 依旧是先判断链表是否为空，为空则返回False
- 链表不为空时：
  - 头指针指针域(指针域存放下一节点的内存地址，即头指针节点)指向头指针，也就是说链表第一个节点变成了头指针head，由于head不计入链表，所以就相当于删除了第一个节点(有点绕)
  - 同时返回删除的值
- ```
  def head_del(self): # 删除头结点,返回头结点的值
    if self.head.next == None:
      return False
    else:
      # 头指针指针域指向自己
      self.head = self.head.next
      self.length -= 1
      return self.head.value
```

链表尾部添加节点：

创建待插入节点对象
判断链表是否为空，为空则头指针节点就是待插入节点，也是尾节点
链表不为空：
- 首先通过while循环(循环条件为节点指针是否为None)找到当前链表的最后一个元素
- 然后将当前最后一个元素指向待插入节点
- 长度+1

  def append(self, value):  # 链表尾部添加结点
    # 创建新插入的结点对象
    node = Node(value)
    if self.length == 0:
      self.head.next = node  # 只有一个节点，指针指向自己
    else:
      curnode = self.head.next  # 变量curnode存放指针
      while curnode.next != None:
        curnode = curnode.next
      curnode.next = node # 当为最后一个节点时，指针指向新插入节点
    self.length += 1

指定位置后面插入节点：
- 这里方法接受两个位置参数，index插入位置和value插入值
- 依旧创建新节点对象
- 判断是否为空
- 在链表不为空的条件下：
  - 首先定义一个变量表示当前节点，以及一个index索引比较数i
  - 使用while循环，索引比较数i != index时，更新当前节点
  - 找到索引位置节点后，首先让插入节点指向索引位置节点的下一个节点
  - 然后让索引位置节点指向插入节点
  - 链表长度+1
- ```
def insert(self, index, value):
	node = Node(value)
  if self.length == 0:
    self.head.next = node
  else:
    i = 0
    cur_node = self.head.next
    while i != index:
      cur_node = cur_node.next
      i += 1
    node.next = cur_node.next
    cur_node.next = node
  self.length += 1
```

给定值删除该值节点：

删除链表中给定的值我们需要遍历整个链表，因此需要创建一个可迭代对象
定义节点迭代方法

def iter_node(self):
  cur_node = self.head.next	#当前节点
  while cur_node.next != None:	# 对除最后一个节点进行可迭代化处理
    yield cur_node
    cur_node = curnode.next
  if cur_node.next == None:	# 对尾节点进行可迭代化处理
    yield cur_node

重写特殊方法–iter–，用来声明这个类是一个迭代器

def __iter__(self): # 遍历列表节点
  for node in self.iter_node():
     yield node.value

首先定义一个Flag变量(默认为False)，用来表示删除状态
依旧判断链表是否为空
链表不为空时：
- 设置一个前驱节点(当找到需要删除的节点时，先让前驱节点指向删除节点的后继节点)
- for循环遍历链表
  - 找到符合条件的值就让前驱节点指向，删除节点的后继节点，然后del删除node，Flag更改为True
  - 没找到符合条件的值，就更新前驱节点，继续遍历

  def delete_node(self, value):
    Flag = False
    if self.length == 0:
      return False
    else:
      previous_node = self.head  # 初始化前置节点为头结点
      for node in self.iter_node():
        if node.value == value:
          previous_node.next = node.next # 前置节点指针指向当前节点的后继节点
          del node
          self.length -= 1
          Flag = True
        else:
          previous_node = node  # 更新前置节点的值
      return Flag

完整代码：

# 定义链表节点类
class Node(object):
  def __init__(self, value=None, next=None):
    self.value = value # 节点元素
    self.next = next  # 指针

# 单链表类
class LinkedList(object):
  def __init__(self):
    self.head = Node() # 创建头结点
    self.length = 0 # 初始化链表长度

  def __len__(self):
    return self.length

  def __iter__(self): # 遍历列表节点
    for node in self.iter_node():
      yield node.value

  def iter_node(self):
    curnode = self.head.next
    while curnode.next != None:
      yield curnode
      curnode = curnode.next
    if curnode.next == None:
      yield curnode

  def head_insert(self, value): # 链表头部插入
    node = Node(value)
    if self.head.next == None:
      self.head.next = node
      node.next = None
    else:
      # 插入元素指针域指向原head元素
      tmp_head = self.head.next # 原头指针节点存储到tmp_head
      self.head.next = node # 新head指针指向node
      node.next = tmp_head # 新插入节点指向原头指针节点
    self.length += 1

  def head_del(self): # 删除头结点,返回头结点的值
    if self.head.next == None:
      return False
    else:
      # 头指针指针域指向自己
      self.head = self.head.next
      self.length -= 1
      return self.head.value

  def append(self, value):  # 链表尾部添加结点
    # 创建新插入的结点对象
    node = Node(value)
    if self.length == 0:
      self.head.next = node  # 只有一个节点，指针指向自己
    else:
      curnode = self.head.next  # 变量curnode存放指针
      while curnode.next != None:
        curnode = curnode.next
      curnode.next = node # 当为最后一个节点时，指针指向新插入节点
    self.length += 1

  # 这里的insert是指定值后面插入不是指定位置
  def insert(self, index, value):
    node = Node(value)
    if self.length == 0:
      self.head.next = node
      self.length += 1
    else:
      for nd in self.iter_node():
        if nd.value == index:  # 如果nd节点值等于index，则插入到nd后
          tmp_node = nd.next # 将nd的指针存放到中间变量
          nd.next = node # nd节点指向插入节点
          node.next = tmp_node  # 插入节点指向原nd.next节点
          self.length += 1
          return True
      return False

  def replace(self, old_value, new_value):
    index = 0
    if self.length == 0:
      return False
    else:
      for node in self.iter_node():
        if node == old_value:
          node.value = new_value
          index += 1
    if index != 0:
      return index # 替换节点数量(存在节点值相同情况)
    else:
      return False  # 替换失败，未找到替换值

  def delete_node(self, value):
    Flag = False
    if self.length == 0:
      return False
    else:
      previous_node = self.head  # 初始化前置节点为头结点
      for node in self.iter_node():
        if node.value == value:
          previous_node.next = node.next # 前置节点指针指向当前节点的后继节点
          del node
          self.length -= 1
          Flag = True
        else:
          previous_node = node  # 更新前置节点的值
      return Flag

# 测试
l = LinkedList()
l.append(1)
l.append(2)
l.append(7)
l.append(5)
l.append(6)
l.append(7)
l.head_insert(3)
print("当前链表长度：%s" %l.length)
#print("删除头结点为：%d"% l.head_del())
print("当前链表长度：%s" %l.length)
i = 1
#l.delete_node(7)
for node in l:
  print("第%d个链表节点的值: %d"%(i, node))
  i += 1

运行结果：

当前链表长度：7
当前链表长度：7
第1个链表节点的值: 3
第2个链表节点的值: 1
第3个链表节点的值: 2
第4个链表节点的值: 7
第5个链表节点的值: 5
第6个链表节点的值: 6
第7个链表节点的值: 7

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希望本文所述对大家Python程序设计有所帮助。

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