数据结构 09-链表概念及常见链表结构
目 录
1. 链表
1.1 链表概念
1.2 链表优点
1.3 链表缺点
2.常见链表结构
2.1 单链表
2.1.1 单链表结构
2.1.2 单链表代码实现
2.2 单向循环链表
2.2.1 单向循环链表结构
2.2.2 单循环链表代码实现
2.3 双向链表
2.3.1 双向链表结构
2.3.2 双向链表代码实现
1. 链表
1.1 链表概念
前面提到，栈、队列都可以视作是一种特殊的线性表，在绝大多数语言中都是连续存储的。而链表则是不连续的存储方式，自适应内存大小，通过指针的使用，灵活将不同的内存块联系起来，实现动态增加动态删除。
链表的基础是结点 node，每个结点应该包含至少两个区域，一个是存放数据的区域，一个是指向下一个节点的指针。对于整个链表而言，应该有指向头结点的头指针，尾部结点根据链表的不同类型可以指向空（单链表），也可以指向头节点（循环链表）。根据指针的配置，结点可以是单向的，也可以是双向的，从而链表可以是单向的，也可以是双向的。
1.2 链表优点
相对于连续存储的结构, 链表优点还是很明显的：
- 内存空间是不连续的，可以充分利用计算机的零碎内存，实现灵活的内存动态管理。
- 链表不必在创建时就确定大小, 并且大小可以无限的延伸下去（如果计算机内存支持的话）。
- 链表在插入和删除数据时, 只需要移动少量数据，时间复杂度会降低很多。
1.3 链表缺点
链表也有一些缺点：
- 链表如果按照位置访问，访问任何一个位置的元素时, 都需要从头开始访问(无法跳过第一个元素访问任何一个元素)。即无法通过下标直接访问元素。备注：笔者认为，没有完美的数据结构能够满足所有用户需求，无论是栈、队列抑或是链表，都需要结合实际数据特性和用户使用特性来决定数据结构。比如链表的这个缺点，如果数据不需要按照位置访问，可能就不是缺点。
- 因为需要存储指向下一个结点的指针，额外要消耗内存。
2.常见链表结构
2.1 单链表
2.1.1 单链表结构
单链表是最简单的链式存取的数据结构，每个单独数据是以对应的结点来表示的，每个结点由元素和指针构成。
2.1.2 单链表代码实现
单向链表需要实现的基本操作有：
- 创建链表
- 新增结点到链表尾部
- 删除第n个结点
- 读取第n个结点
- 逆转顺序读取链表（非必需）
每个人有每个人的设计代码实现，有些同学在单链表中只设计一个头指针，需要在链表尾部新增数据时候从头指针一直查找到最后，而我喜欢创建头指针、尾指针两个指针，以空间换时间，代码实现也更简单。
下面是我的代码实现：
class Node():def __init__(self,value):self.val=valueself.next=Noneclass SingleLink():def __init__(self):self.phead=Noneself.ptail=Noneself.length=0def add(self,value):node=Node(value)if(not self.phead):self.phead=nodeself.ptail=nodeself.length=1else:self.ptail.next=nodeself.ptail=nodeself.ptail.next=Noneself.length+=1#删除第 n 个结点def delete(self,n):#如果当前链表为空，不操作if(self.length==0):return(None)# 如果超出现有长度，删除最后一个结点if(n>self.length):n=self.length# 如果删除第一个结点，即头节点# 则直接移动头指针到下一个结点if(n==1):self.phead=self.phead.nextself.length-=1return(None)# 获得头指针p=self.phead# 目的是获得被删除结点的前一个结点while(n>2):p=p.nextn-=1# 如果这是最后一个结点，那么前一个结点直接指向空# 如果这不是最后一个结点，那么前一个结点直接指向再下一个结点if(p.next.next):p.next=p.next.nextelse:p.next=Noneself.length-=1def read(self,n):if(n>self.length):n=self.lengthp=self.pheadwhile(n>1):p=p.nextn-=1return(p.val)def show(self):print("current length is {0}".format(self.length))p=self.pheadwhile( p.next ):print(p.val,end=" , ")p=p.nextprint(p.val)return(None)def reverse_show(self,node):p=nodeif(p.next):self.reverse_show(p.next)print(p.val,end=" , ")运行相关测试代码后结果如下：
#创建单链表
a_link=SingleLink()#填充数据 1~9
for i in range(1,10):a_link.add(i)
print()#展示数据
print("*"*30+"填充数据 1~9之后链表为"+"*"*30)
a_link.show()#逆序展示数据
print("*"*30+"逆序展示链表数据"+"*"*30)
a_link.reverse_show(a_link.phead)
print()#连续两次删除头节点
print("*"*50)
print("Now to delete first node twice")
a_link.delete(1)
a_link.show()
a_link.delete(1)
a_link.show()
print("*"*50)#连续两次删除尾节点
print("Now to delete last node twice")
a_link.delete(7)
a_link.show()
a_link.delete(6)
a_link.show()
print("*"*50)#删除中间结点第二个结点
print("Now to delete second node ")
a_link.delete(2)
a_link.show()
print("*"*50)
2.2 单向循环链表
2.2.1 单向循环链表结构
单向循环链表即将单链表的尾结点指向头结点的链表，又称之为循环单链表（Circular linkedlist）。
2.2.2 单循环链表代码实现
单循环链表需要实现的基本操作有：
- 创建链表
- 新增结点到链表尾部
- 新增结点到链表第 n 个结点
- 删除第n个结点
- 读取第n个结点
同样，在单循环链表中，如果设计头指针、尾指针两个指针，则不光是空间换时间，而且代码实现会更方便。
下面是我的代码实现：
class Node():def __init__(self,value):self.val=valueself.next=Noneclass S_CirLink():def __init__(self):self.phead=Noneself.ptail=Noneself.length=0def addTail(self,value):node=Node(value)if(not self.phead):self.phead=nodeself.ptail=nodenode.next=nodeself.length=1else:self.ptail.next=nodeself.ptail=nodenode.next=self.pheadself.length+=1# n 限制在大于等于 1 def addN(self,value,n):node=Node(value)if(not self.phead):self.phead=nodeself.ptail=nodenode.next=nodeself.length=1else:if(n==1):node.next=self.pheadself.phead=nodeself.ptail.next=self.pheadself.length+=1return(None)if(n>self.length):n=self.length+1p=self.pheadwhile(n>2):p=p.nextn-=1node.next=p.nextp.next=nodeself.length+=1return(None)#删除第 n 个结点def delete(self,n):#如果当前链表为空，不操作if(self.length==0):return(None)# 如果超出现有长度，删除最后一个结点if(n>self.length):n=self.length# 如果删除第一个结点，即头节点# 则直接移动头指针到下一个结点if(n==1):if(self.length==1):self.phead=Noneself.ptail=Noneself.length=0return(None)self.phead=self.phead.nextself.ptail.next=self.pheadself.length-=1return(None)# 此处处理链表长度大于1 的情况，获得头指针p=self.phead# 目的是获得被删除结点的前一个结点while(n>2):p=p.nextn-=1# 因为是循环链表，所以链表长度大于1时候删除一个结点，# 链表肯定不为空，直接指向下一个链表即可if(p.next!=self.ptail):p.next=p.next.nextelse:p.next=p.next.nextself.ptail=pself.length-=1def read(self,n):if(n>self.length):n=self.lengthp=self.pheadwhile(n>1):p=p.nextn-=1return(p.val)def show(self):print("current length is {0}".format(self.length))p=self.pheadwhile( p.next!=self.phead ):print(p.val,end=" , ")p=p.nextprint(p.val)return(None)
测试代码如下：
#创建单向循环链表
a_link=S_CirLink()#填充数据 1~9
for i in range(1,10):a_link.addTail(i)
print()#展示数据
print("*"*30+"填充数据 1~9之后链表为"+"*"*30)
a_link.show()#连续两次删除头节点
print("*"*50)
print("Now to delete first node twice")
a_link.delete(1)
a_link.show()
a_link.delete(1)
a_link.show()
print("*"*50)#删除中间结点第二个结点
print("Now to delete second node ")
a_link.delete(2)
a_link.show()
print("*"*50)#连续两次删除尾节点
print("Now to delete last node twice")
a_link.delete(7)
a_link.show()
a_link.delete(6)
a_link.show()
print("*"*50)# 增加一个结点，排序为 3
print("Now to add new node in third place,the value is 11")
a_link.addN(11,3)
a_link.show()# 增加一个尾结点，排序为 6
print("Now to add new node in 6th place,the value is 12")
a_link.addN(12,6)
a_link.show()运行结果：
2.3 双向链表
2.3.1 双向链表结构
双向链表是结点 Node 既有一个 prev (前驱指针) ，又有一个 next (后驱指针) 来构成的一种数据结构。
2.3.2 双向链表代码实现
双向链表需要实现的基本操作有：
- 创建双向链表
- 新增结点到链表尾部
- 新增结点到链表第 n 个结点
- 删除第n个结点
- 读取第n个结点
下面是我的代码实现：
class Node():def __init__(self,value):self.val=valueself.prev=Noneself.next=Noneclass Bid_Link():def __init__(self):self.phead=Noneself.ptail=Noneself.length=0def addTail(self,value):node=Node(value)if(not self.phead):self.phead=nodeself.ptail=nodeself.length=1else:self.ptail.next=nodenode.prev=self.ptailself.ptail=nodenode.next=Noneself.length+=1def addN(self,value,n):if(not self.phead or n>self.length):self.addTail(value)return(None)node=Node(value)if(n==1):node.next=self.pheadself.phead.prev=nodeself.phead=nodeself.length+=1return(None)p=self.pheadwhile(n>2):p=p.nextn-=1node.prev=pnode.next=p.nextnode.next.prev=nodep.next=nodeself.length+=1return(None)#删除第 n 个结点,n 大于等于 0def delete(self,n):#如果当前链表为空，不操作if(self.length==0):return(None)# 如果超出现有长度，删除最后一个结点if(n>self.length):n=self.length# 如果删除第一个结点，即头节点# 则直接移动头指针到下一个结点if(n==1):if(self.length==1):self.phead=Noneself.ptail=Noneself.length=0return(None)self.phead=self.phead.nextself.phead.prev=Noneself.length-=1return(None)# 此处处理链表长度大于1 的情况，获得头指针p=self.phead# 目的是获得被删除结点的前一个结点while(n>2):p=p.nextn-=1# 双向链表，需要处理前驱指针、后驱指针tmp=p.nextif(p.next.next):p.next=tmp.nexttmp.next.prev=pelse:p.next=Noneself.ptail=pself.length-=1return(None)def read(self,n):if(n>self.length):n=self.lengthp=self.pheadwhile(n>1):p=p.nextn-=1return(p.val)def show(self):print("current length is {0}".format(self.length))p=self.pheadwhile(p.next):print(p.val,end=" , ")p=p.nextprint(p.val)return(None)
测试代码如下：
#创建双向循环链表
a_link=Bid_Link()#填充数据 1~9
for i in range(1,10):a_link.addTail(i)
print()#展示数据
print("*"*30+"填充数据 1~9之后链表为"+"*"*30)
a_link.show()#连续两次删除头节点
print("*"*50)
print("Now to delete first node twice")
a_link.delete(1)
a_link.show()
a_link.delete(1)
a_link.show()
print("*"*50)#删除中间结点第二个结点
print("Now to delete second node ")
a_link.delete(2)
a_link.show()
print("*"*50)#连续两次删除尾节点
print("Now to delete last node twice")
a_link.delete(7)
a_link.show()
a_link.delete(6)
a_link.show()
print("*"*50)# 增加一个结点，排序为 3
print("Now to add new node in third place,the value is 11")
a_link.addN(11,3)
a_link.show()# 增加一个尾结点，排序为 6
print("Now to add new node in 6th place,the value is 12")
a_link.addN(12,6)
a_link.show()运行结果：
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