鏈表

為什么需要鏈表

順序表的構建需要預先知道數據大小來申請連續的存儲空間，而在進行擴充時又需要進行數據的搬遷，所以使用起來並不是很靈活。

鏈表結構可以充分利用計算機內存空間，實現靈活的內存動態管理。

鏈表的定義

鏈表（Linked list）是一種常見的基礎數據結構，是一種線性表，但是不像順序表一樣連續存儲數據，而是在每一個節點（數據存儲單元）里存放下一個節點的位置信息（即地址）。

一、單向鏈表

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，而最后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。

1.1 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

1.2 單鏈表的操作

• is_empty() 鏈表是否為空
• 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

1.3 單鏈表的實現

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

    def is_empty(self):
        """判斷鏈表是否為空"""
        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后移一個節點
            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 ""

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

尾部添加元素

    def append(self, item):
        """尾部添加元素"""
        node = SingleNode(item)
        # 先判斷鏈表是否為空，若是空鏈表，則將_head指向新節點
        if self.is_empty():
            self._head = node
        # 若不為空，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

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為第一個元素之前，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

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后一個節點
                    self._head = cur.next
                else:
                    # 將刪除位置前一個節點的next指向刪除位置的后一個節點
                    pre.next = cur.next
                break
            else:
                # 繼續按鏈表后移節點
                pre = cur
                cur = cur.next

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

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()

1.4 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復雜度如下所示：

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復雜度都是 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復雜度是O(1)。順序表查找很快，主要耗時的操作是拷貝覆蓋。因為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后的所有元素進行前后移位操作，只能通過拷貝和覆蓋的方法進行。

二、單向循環鏈表

單鏈表的一個變形是單向循環鏈表，鏈表中最后一個節點的next域不再為None，而是指向鏈表的頭節點。

2.1 操作

• is_empty() 判斷鏈表是否為空
• 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

2.2 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):
        """判斷鏈表是否為空"""
        return self._head == None

    def length(self):
        """返回鏈表的長度"""
        # 如果鏈表為空，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"""
        # 若鏈表為空，則直接返回
        if self.is_empty():
            return
        # 將cur指向頭節點
        cur = self._head
        pre = None
        # 若頭節點的元素就是要查找的元素item
        if cur.item == item:
            # 如果鏈表不止一個節點
            if cur.next != self._head:
                # 先找到尾節點，將尾節點的next指向第二個節點
                while cur.next != self._head:
                    cur = cur.next
                # cur指向了尾節點
                cur.next = self._head.next
                self._head = self._head.next
            else:
                # 鏈表只有一個節點
                self._head = None
        else:
            pre = self._head
            # 第一個節點不是要刪除的
            while cur.next != self._head:
                # 找到了要刪除的元素
                if cur.item == item:
                    # 刪除
                    pre.next = cur.next
                    return
                else:
                    pre = cur
                    cur = cur.next
            # cur 指向尾節點
            if cur.item == item:
                # 尾部刪除
                pre.next = cur.next

    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()

三、雙向鏈表

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，當此節點為第一個節點時，指向空值；而另一個指向下一個節點，當此節點為最后一個節點時，指向空值。

3.1 操作

• is_empty() 鏈表是否為空
• 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

3.2 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):
        """判斷鏈表是否為空"""
        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

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

刪除元素

    def remove(self, item):
        """刪除元素"""
        if self.is_empty():
            return
        else:
            cur = self._head
            if cur.item == item:
                # 如果首節點的元素即是要刪除的元素
                if cur.next == None:
                    # 如果鏈表只有這一個節點
                    self._head = None
                else:
                    # 將第二個節點的prev設置為None
                    cur.next.prev = None
                    # 將_head指向第二個節點
                    self._head = cur.next
                return
            while cur != None:
                if cur.item == item:
                    # 將cur的前一個節點的next指向cur的后一個節點
                    cur.prev.next = cur.next
                    # 將cur的后一個節點的prev指向cur的前一個節點
                    cur.next.prev = cur.prev
                    break
                cur = cur.next

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()