链表

1.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。

2.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）。

单向链表

1.单向链表的定义

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。

2.节点的实现

#单链表
class Node(object):
    '''节点'''
    def __init__(self,elem):
        self.elem = elem
        self.next = None

3.单链表的操作

1）is_empty() 链表是否为空

    def is_empty(self):
        '''is_empty() 链表是否为空'''
        return self.__head is None

2）length() 链表长度

def length(self):
    '''链表长度'''
    # cur游标 用来遍历节点
    # count 记录数量
    cur = self.__head
    count = 0
    while cur != None:
        count += 1
        cur = cur.next
    return count

3）travel() 遍历整个链表

def travel(self):
    '''遍历整个链表'''
    cur = self.__head
    while cur != None:
        print(cur.elem,end = "\t")
        cur = cur.next
    print()

4）add(item) 链表头部添加元素

def add(self,item):
    '''链表头部添加元素，"头插法"'''
    node = Node(item)
    node.next = self.__head
    self.__head = node

5)append(item) 链表尾部添加元素

def append(self,item):
    #创建节点
    node = Node(item)
    #判断链表是否为空
    if self.is_empty():
        self.__head = node
    else:
        cur = self.__head
        while cur.next != None:
            cur = cur.next
        #循环退出时,cur指向最后一个节点
        cur.next = node

6）insert(pos, item) 指定位置添加元素

def insert(self,pos,item):
    '''指定位置添加元素
    :param  pos 从0开始
    '''
    if pos <= 0:
        self.add(item)
    elif pos >(self.length()-1):        #没有等号
        self.append(item)
    else:
        node = Node(item)
        cur = self.__head
        count = 0           #记录移动到哪个位置
        while count < (pos-1):      #当循环退出后，cur指向pos-1位置
            count += 1
            cur = cur.next
        node.next = cur.next
        cur.next = node

7）remove(item) 删除节点

def remove(self,item):
    '''删除节点'''
    cur = self.__head
    pre = None
    count =0            #用来返回删除的值的下标
    while cur != None:		#循环内所有点都照顾到
        count += 1
        if cur.elem == item:
            #判断此节点是否是头节点
            if cur == self.__head:
                self.__head = cur.next          
            else:
                pre.next = cur.next             #删除的是最后一个节点，此时pre.next = None,满足
            return count
        else:
            pre = cur
            cur = cur.next

8）search(item) 查找节点是否存在

def search(self,item):
    '''查找节点是否存在'''
    cur = self.__head
    while cur != None:          #若为while cur.next != None:则最后一个节点比较不了
        if cur.elem == item:
            return True
            #return是结束函数执行并返回值
        else:
            cur = cur.next
    return False

单链表总结

#单链表
class Node(object):
    '''节点'''
    def __init__(self,elem):
        self.elem = elem
        self.next = None

class SingleLinkList(object):
    '''单链表'''
    def __init__(self,node = None):         #默认参数为None
        self.__head = node

    def is_empty(self):
        '''is_empty() 链表是否为空'''
        return self.__head is None

    def length(self):
        '''链表长度'''
        # cur游标 用来遍历节点
        # count 记录数量
        cur = self.__head
        count = 0
        while cur != None:
            count += 1
            cur = cur.next
        return count

    def travel(self):
        '''遍历整个链表'''
        cur = self.__head
        while cur != None:
            print(cur.elem,end = "\t")
            cur = cur.next
        print()

    def add(self,item):
        '''链表头部添加元素，"头插法"'''
        node = Node(item)
        node.next = self.__head
        self.__head = node

    def append(self,item):
        '''链表尾部添加元素,"尾插法"'''
        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            self.__head = node
        else:
            cur = self.__head
            while cur.next != None:
                cur = cur.next
            cur.next = node

    def insert(self,pos,item):
        '''指定位置添加元素
        :param  pos 从0开始
        '''
        if pos <= 0:
            self.add(item)
        elif pos >(self.length()-1):        #没有等号
            self.append(item)
        else:
            node = Node(item)
            cur = self.__head
            count = 0           #记录移动到哪个位置
            while count < (pos-1):      #当循环退出后，cur指向pos-1位置
                count += 1
                cur = cur.next
            node.next = cur.next
            cur.next = node

    def remove(self,item):
        '''删除节点'''
        cur = self.__head
        pre = None
        count =0            #用来返回删除的值的下标
        while cur != None:
            count += 1
            if cur.elem == item:
                #判断此节点是否是头节点
                if cur == self.__head:
                    self.__head = cur.next          #只有一个节点，此时self.__head == None,满足
                else:
                    pre.next = cur.next             #删除的是最后一个节点，此时pre.next = None,满足
                return count
            else:
                pre = cur
                cur = cur.next

    def search(self,item):
        '''查找节点是否存在'''
        cur = self.__head
        while cur != None:          #若为while cur.next != None:则最后一个节点比较不了
            if cur.elem == item:
                return True
                #return是结束函数执行并返回值
            else:
                cur = cur.next
        return False

if __name__ == '__main__':
    ll =SingleLinkList()
    print(ll.is_empty())
    print(ll.length())

    ll.append(1)
    print(ll.is_empty())
    print(ll.length())

    ll.append(2)
    ll.append(3)
    ll.append(4)
    ll.append(5)
    ll.insert(3,9)      #1	2	3	9	4	5
    ll.insert(-1,0)     #0	1	2	3	9	4	5
    ll.travel()
    ll.remove(4)
    ll.travel()
    print(ll.search(5))
    ll.remove(0)
    ll.travel()
    ll.remove(5)
    ll.travel()

运行结果：

True
0
False
1
0	1	2	3	9	4	5	
0	1	2	3	9	5	
True
1	2	3	9	5	
1	2	3	9	

单向循环链表

单链表的一个变形是单向循环链表，链表中最后一个节点的next域不再为None，而是指向链表的头节点。

单向循环列表代码总结（思路与上面相似，只是多考虑一步循环）

#单向循环列表
class Node(object):
    '''结点'''
    def __init__(self,elem):
        self.elem = elem
        self.next = None

class SingleCycleLinkList(object):
    '''单向循环链表'''
    def __init__(self,node = None):         #默认参数为None
        self.__head = node
        if node:
            node.next = node
    def is_empty(self):
        '''is_empty() 链表是否为空'''
        return self.__head is None
    def length(self):
        '''链表长度'''
        if self.is_empty():
            return 0
        # cur游标 用来遍历节点
        cur = self.__head
        # count 记录数量
        count = 1
        while cur.next != self.__head:
            count += 1
            cur = cur.next
        return count

    def travel(self):
        '''遍历整个链表'''
        if self.is_empty():     #空列表
            return
        cur = self.__head
        while cur.next != self.__head:
            print(cur.elem,end = "\t")
            cur = cur.next
        #退出循环，cur指向尾结点，但尾结点的元素未打印
        print(cur.elem)

    def add(self,item):
        '''链表头部添加元素，"头插法"'''
        node = Node(item)
        if self.is_empty():         #空的为True
            self.__head = node
            node.next = node
        else:
            cur = self.__head
            while cur.next != self.__head:
                cur = cur.next
            # 退出循环，cur指向尾结点
            node.next = self.__head
            self.__head = node
            cur.next = node
    def append(self,item):
        '''链表尾部添加元素,"尾插法"'''
        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            self.__head = node
            node.next = node
        else:
            cur = self.__head
            while cur.next != self.__head:
                cur = cur.next
            # 退出循环，cur指向尾结点
            cur.next = node
            node.next = self.__head

    def insert(self,pos,item):
        '''指定位置添加元素
        :param  pos 从0开始
        '''
        if pos <= 0:
            self.add(item)
        elif pos >(self.length()-1):        #没有等号
            self.append(item)
        else:
            node = Node(item)
            pre = self.__head
            count = 0           #记录移动到哪个位置
            while count < (pos-1):      #当循环退出后，pre指向pos-1位置
                count += 1
                pre = pre.next
            node.next = pre.next
            pre.next = node

    def remove(self,item):
        '''删除节点'''
        if self.is_empty():
            return

        cur = self.__head
        pre = None

        while cur.next != self.__head:
            if cur.elem == item:
                #判断此节点是否是头节点
                if cur == self.__head:
                    #头节点的情况
                    #找尾节点
                    rear = self.__head          #新的游标
                    while rear.next != self.__head:
                        rear = rear.next
                    self.__head = cur.next
                    rear.next = self.__head
                #中间节点
                else:
                    pre.next = cur.next
                return
            else:
                pre = cur
                cur = cur.next
        #退出循环，cur指向尾结点
        if cur.elem == item:
            if cur == self.__head:
                #链表只有一个节点
                self.__head = None
            else:
                pre.next = cur.next

    def search(self,item):
        '''查找节点是否存在'''
        if self.is_empty():
            return False
        cur = self.__head
        while cur.next != self.__head:
            if cur.elem == item:
                return True
                #return是结束函数执行并返回值
            else:
                cur = cur.next
        ## 退出循环，cur指向尾结点
        if cur.elem == item:
            return True
        return False

if __name__ == '__main__':
    ll =SingleCycleLinkList()
    print(ll.is_empty())
    print(ll.length())

    ll.append(1)
    print(ll.is_empty())
    print(ll.length())

    ll.append(2)
    ll.append(3)
    ll.append(4)
    ll.append(5)
    ll.insert(3,9)
    ll.insert(-1,0)
    ll.travel()
    ll.remove(4)
    ll.travel()
    print(ll.search(5))
    ll.remove(0)
    ll.travel()
    ll.remove(5)
    ll.travel()

运行结果：

True
0
False
1
0	1	2	3	9	4	5
0	1	2	3	9	5
True
1	2	3	9	5
1	2	3	9

双向链表

一种更复杂的链表是“双向链表”或“双面链表”。每个节点有两个链接：一个指向前一个节点，当此节点为第一个节点时，指向空值；而另一个指向下一个节点，当此节点为最后一个节点时，指向空值。

后继结点：next
前驱结点：prev
双向链表与单链表一样的方法可以继承

1)add(item) 链表头部添加

def add(self,item):
    '''链表头部添加元素，"头插法"'''
    node = Node(item)
    node.next = self.__head
    self.__head.prev = node            
    self.__head = node

2)append(item) 链表尾部添加

def append(self,item):
    '''链表尾部添加元素,"尾插法"'''
    node = Node(item)
    if self.is_empty():
        self.__head = node
    else:
        cur = self.__head
        while cur.next != None:
            cur = cur.next
        cur.next = node
        node.prev = cur

3)insert(pos, item) 指定位置添加

def insert(self,pos,item):
    '''指定位置添加元素
    :param  pos 从0开始
    '''
    if pos <= 0:
        self.add(item)
    elif pos >(self.length()-1):        #没有等号
        self.append(item)
    else:
        node = Node(item)
        cur = self.__head
        count = 0           #记录移动到哪个位置
        while count < pos:
            count += 1
            cur = cur.next
        # 当循环退出后，cur指向pos位置
        node.next = cur
        node.prev = cur.prev
        cur.prev.next = node
        cur.prev = node

4）remove(item) 删除节点

def remove(self,item):
    '''删除节点'''
    cur = self.__head
    while cur != None:
        if cur.elem == item:
            #判断此节点是否是头节点
            if cur == self.__head:
                self.__head = cur.next
                if cur.next:
                    #判断链表是否只有一个结点
                    cur.next.prev = None
            else:
                cur.prev.next = cur.next
                if cur.next:
                    #判断是不是最后一个结点
                    cur.next.prev = cur.prev
            break
        else:
            cur = cur.next

双向链表总结

#双向链表
class  Node(object):
    '''结点'''
    def __init__(self,item):
        self.elem = item
        self.next = None
        self.prev = None
class DoubleLinkList(object):
    '''双链表'''
    def __init__(self,node = None):         #默认参数为None
        self.__head = node
    def is_empty(self):
        '''is_empty() 链表是否为空'''
        return self.__head is None
    def length(self):
        '''链表长度'''
        # cur游标 用来遍历节点
        cur = self.__head
        # count 记录数量
        count = 0
        while cur != None:
            count += 1
            cur = cur.next
        return count

    def travel(self):
        '''遍历整个链表'''
        cur = self.__head
        while cur != None:
            print(cur.elem,end = "\t")
            cur = cur.next
        print()

    def add(self,item):
        '''链表头部添加元素，"头插法"'''
        node = Node(item)
        node.next = self.__head
        self.__head.prev = node             #与下面第二行作用一样
        self.__head = node
        # node.next.prev = node

    def append(self,item):
        '''链表尾部添加元素,"尾插法"'''
        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            self.__head = node
        else:
            cur = self.__head
            while cur.next != None:
                cur = cur.next
            cur.next = node
            node.prev = cur

    def insert(self,pos,item):
        '''指定位置添加元素
        :param  pos 从0开始
        '''
        if pos <= 0:
            self.add(item)
        elif pos >(self.length()-1):        #没有等号
            self.append(item)
        else:
            node = Node(item)
            cur = self.__head
            count = 0           #记录移动到哪个位置
            while count < pos:
                count += 1
                cur = cur.next
            # 当循环退出后，cur指向pos位置
            node.next = cur
            node.prev = cur.prev
            cur.prev.next = node
            cur.prev = node

    def remove(self,item):
        '''删除节点'''
        cur = self.__head
        while cur != None:
            if cur.elem == item:
                #判断此节点是否是头节点
                if cur == self.__head:
                    self.__head = cur.next
                    if cur.next:
                        #判断链表是否只有一个结点
                        cur.next.prev = None
                else:
                    cur.prev.next = cur.next
                    if cur.next:
                        #判断是不是最后一个结点
                        cur.next.prev = cur.prev
                break
            else:
                cur = cur.next

    def search(self,item):
        '''查找节点是否存在'''
        cur = self.__head
        while cur != None:          #若为while cur.next != None:则最后一个节点比较不了
            if cur.elem == item:
                return True
                #return是结束函数执行并返回值
            else:
                cur = cur.next
        return False

if __name__ == '__main__':
    dll = DoubleLinkList()
    print(dll.is_empty())
    print(dll.length())

    dll.append(1)
    print(dll.is_empty())
    print(dll.length())

    dll.append(2)
    dll.append(3)
    dll.append(4)
    dll.append(5)
    dll.travel()
    dll.insert(3,9)      #1	2	3	9	4	5
    dll.insert(-1,0)     #0	1	2	3	9	4	5
    dll.travel()
    dll.remove(4)
    dll.travel()
    print(dll.search(5))
    dll.remove(0)
    dll.travel()
    dll.remove(5)
    dll.travel()

运行结果：

True
0
False
1
1	2	3	4	5	
0	1	2	3	9	4	5	
0	1	2	3	9	5	
True
1	2	3	9	5	
1	2	3	9