Python单链表原理与实现方法详解

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
  

希望本文所述对大家Python程序设计有所帮助。