数据结构与算法—单向链表

为什么需要链表

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。

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）。

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。

（1） 节点实现

class SingleNode(object):
    """单链表的节点"""
    # 节点有两个属性，item 存放数据元素,next 存放下一个节点的地址
    def __init__(self,item):
        self.item = item
        self.next = None

（2）单链表的操作

• is_empty() 链表是否为空
• length() 链表长度
• travel() 遍历整个链表
• add(item) 链表头部添加元素
• append(item) 链表尾部添加元素
• insert(pos, item) 指定位置添加元素
• remove(item) 删除节点
• search(item) 查找节点是否存在

（3）单链表的实现

• 判断链表是否为空
• 计算链表长度
• 遍历链表

class SingleLinkList(object):
    """单链表"""
    def __init__(self):
        # head存放单链表首节点地址
        self.head = None
        
    def is_empty(self):
        """判断单链表是否为空"""
        return self.head == None
    
    def length(self):
        """计算链表长度"""
        cur = self.head
        count = 0
        # 当未到达尾部时
        while cur:
            cur = cur.next
            count += 1
        return count
    
    def travel(self):
        """遍历链表""" 
        cur = self.head
        while cur:
            print(cur.item)
            cur = cur.next

• 从链表头部插入元素

def add(self,item):
    """头部插入元素"""
    # 先新建一个节点 
    node = SingleNode(item)
    # 新节点的尾部指向原首节点
    node.next = self.head 
    # 新首节点为新建节点
    self.head = node

• 从链表尾部插入元素

def append(self,item):
        """尾部插入元素"""
        # 新建节点
        node = SingleNode(item)
         # 先判断链表是否为空，若是空链表，则将_head指向新节点
        if self.is_empty():
            self.head = node
        # 若不为空，则找到尾部，将尾节点的next指向新节点
        else:
            cur = self.head
            while cur.next:
                cur = cur.next
            # 找到最后一个节点,最后一个节点的next为新节点
            cur.next = node

• 从链表指定位置插入元素

def insert(self, pos, item):
    """在指定位置添加元素"""
    # 在头部插入
    if pos <=0:
        self.add(item)
    # 在尾部插入
    elif pos >= self.length():
        self.append(item)
    # 在中间插入
    else:
        # 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
        pre = self.head
        count = 0
        node = SingleNode(item)
        while count < pos-1:
            pre = pre.next
            count += 1
        # 先将新节点node的next指向插入位置的节点
        node.next = pre.next
        # 将插入位置的前一个节点的next指向新节点
        pre.next = node

• 删除节点

def remove(self,item):
    """删除节点""" 
    # pre 存着指定item的前一个节点
    pre = None
    cur = self.head
    while cur:
        if cur.item != item:
            pre = cur
            cur = cur.next
        else:
            # 如果item是首节点,则将头指针指向头节点的后一个节点
            if pre == None:
                self.head = cur.next
            # 否则item是中间节点，将删除位置前一个节点的next指向删除位置的后一个节点
            else:
                pre.next = cur.next
            break

• 查找某个节点是否存在

def search(self,item):
    cur = self.head
    while cur:
        if cur.item == item:
            return True
        cur = cur.next
    return False

测试

class SingleLinkList(object):
    """单链表"""
    def __init__(self):
        # head存放单链表首节点地址
        self.head = None
        
    def is_empty(self):
        """判断单链表是否为空"""
        return self.head == None
    
    def length(self):
        """计算链表长度"""
        cur = self.head
        count = 0
        # 当未到达尾部时
        while cur:
            cur = cur.next
            count += 1
        return count
    
    def travel(self):
        """遍历链表""" 
        cur = self.head
        while cur:
            print(cur.item)
            cur = cur.next
    def add(self,item):
        """头部插入元素"""
        # 先新建一个节点 
        node = SingleNode(item)
        # 新节点的尾部指向原首节点
        node.next = self.head 
        # 新首节点为新建节点
        self.head = node
        
    def append(self,item):
        """尾部插入元素"""
        # 新建节点
        node = SingleNode(item)
         # 先判断链表是否为空，若是空链表，则将_head指向新节点
        if self.is_empty():
            self.head = node
        # 若不为空，则找到尾部，将尾节点的next指向新节点
        else:
            cur = self.head
            while cur.next:
                cur = cur.next
            # 找到最后一个节点,最后一个节点的next为新节点
            cur.next = node
            
        
    def insert(self, pos, item):
        """在指定位置添加元素"""
        # 在头部插入
        if pos <=0:
            self.add(item)
        # 在尾部插入
        elif pos >= self.length():
            self.append(item)
        # 在中间插入
        else:
            # 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
            pre = self.head
            count = 0
            node = SingleNode(item)
            while count < pos-1:
                pre = pre.next
                count += 1
            # 先将新节点node的next指向插入位置的节点
            node.next = pre.next
            # 将插入位置的前一个节点的next指向新节点
            pre.next = node
            
    def remove(self,item):
        """删除节点""" 
        # pre 存着指定item的前一个节点
        pre = None
        cur = self.head
        while cur:
            if cur.item != item:
                pre = cur
                cur = cur.next
            else:
                # 如果item是首节点,则将头指针指向头节点的后一个节点
                if pre == None:
                    self.head = cur.next
                # 否则item是中间节点，将删除位置前一个节点的next指向删除位置的后一个节点
                else:
                    pre.next = cur.next
                break
                
    def search(self,item):
        cur = self.head
        while cur:
            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.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()

length: 4
2
1
4
3
True
False
length: 3
2
4
3