python实现单向链表 -- 详细思路分析

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，而且在进行扩充时又需要进行数据的搬迁，所以使用起来不是很灵活。而链表结构可以充分利用计算机内存，实现灵活的内存动态管理。下面先谈谈最简单的链表 -- 单向链表

1. 单向链表概念

单向链表是链表中最简单的一种形式，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。

假设现在有一个li数组，里面存储的是元素是200、400、600。如果使用链表存储则会是下图结构。

单向链表结构图

2. 构造单向链表

2.1 构造节点

由于链表是通过链接节点来进行链接的，因此需要先构造节点。
构造节点很简单，只要存放元素和指定下一个节点就可以，代码如下：

class Node(object):
    """节点"""
    def __init__(self,item):
        self.elem = item
        # 创建Node时，还不存在下一个节点,因此默认指定为None
        self.next = None

node = Node(100)

2.2 构造链表

构建链表需要构建对链表的操作方法，下面便逐一介绍各个操作方法以及对应的分析思路

2.2.1 构造函数

作用：每一个链表都存在头节点，因此在创建链表时，需要构造其头节点

用head代表头节点，由于不能在类外部对其进行操作，因此将其设置为私有属性 __head
创建链表的实例时，如果传入node，则将node挂到头节点self.__head上，因此self.__head = node 【node 代表Node创建的实例】
创建链表的实例时，允许链表为空，默认node = None

class SingleLinklist(object):
    """单链表"""
    def __init__(self,node=None):     
        # 头节点,只是类内部使用，因此需要改为私有属性
        # node默认为None，即可以只创建链表，不添加节点
        self.__head == None

2.2.2 is_empty函数

作用：用于判断链表是否为空

当self.__head为空时，则链表为空，返回True


def is_empty(self):
        """判断是否为空"""
        return self.__head = None

2.2.3 length函数

作用：用于返回链表的长度

构建一个cur游标，起使指向头节点的位置，即cur = self.__head
创建一个计数器count，用于计算长度
当cur所指向的元素不为None时进行遍历，每遍历一次，count+1，cur移动一个索引位置
返回count

    def length(self):
        """返回长度"""
        # 建立一个游标，由于对链表进行遍历
        # 当count = 0 时，可以解决链表为空的情况
        cur = self.__head
        # count记录数量
        count = 0
        while cur != None:
            count += 1
            cur = cur.next
        return count

2.2.4 travel函数

作用：遍历整个链表

创建一个cur游标，起使指向头节点的位置，即cur = self.__head
当cur所指向的元素不为None时进行遍历，打印当前cur所指的元素

 def travel(self):
        """遍历列表"""
        cur = self.__head
        while cur != None:
            print(cur.elem,end =" ")
            cur = cur.next

2.2.5 add函数【头插法】

作用：在链表头部添加元素

传入的item不是节点类型，因此需要使用Node将其转为节点。实例为node对象
让node指向下一个元素的指针指向当前的头节点，即self.__head。node.next = self.__head
将self.__head赋值为node。self.__head = node

头插法思路图

def add(self,item):
        """在头部添加元素 头插法"""
        node = Node(item)
        node.next = self.__head  # 让新节点的下一个元素指向当前头节点的元素
        self.__head = node

2.2.6 append函数【尾插法】

作用：在链表尾部添加元素

创建一个cur游标，起使指向头节点的位置，即cur = self.__head
让cur游标遍历到链表最后一个节点的位置，让当前节点next指针指向node
当cur.next为None时，则处于最后一个节点，因此遍历条件为 while cur.next != None
【注意】
当链表为空时，不存在cur.next，因此需要考虑链表为空的情况
当链表为空时，直接将当前的头节点赋值为node

尾插法思路图

 def append(self,item):
        """在尾部添加元素 尾插法"""
        # 注意item是传进来的一个数据，不是节点
        node = Nonde(item)
        # 需要考虑链表为空的情况
        if self.is_empty():
            self.__head = node
            
        cur = self.__head
        # 让cur一直往后走，走到尾节点
        while cur.next != None:
            cur = cur.next
        cur.next = node

2.2.7 search函数

作用：查找节点是否存在

创建一个cur游标，起使指向头节点的位置，即cur = self.__head
当cur所指向的元素不为None时进行遍历。每次对比cur是否和item相等，相等则返回True，结束遍历；不相等则cur移动一个索引位置，继续比较。

def search(self,item):
        """查找某个元素是否存在"""
        cur = self.__head
        # 当cur没有移动到末尾时
        while cur != None:
            if cur.elem == item:
                return True
            else:
                cur = cur.next
                
        return False

2.2.8 insert函数

作用：在指定位置插入元素

创建一个cur游标,起使指向头节点的位置，即cur = self.__head
创建一个计数器count，用于和pos比较
当count小于pos-1时，cur不断右移
找到对应位置后，将node的next指针指向cur.next节点；将cur当前节点的next指针指向node
【注意】
当输入的pos<=0时，视为其在头部插入，直接调用add方法
当输入的pos>链表的长度时，视为在尾部，直接调用append方法

insert函数思路图解

def insert(self,pos,item):
        """在指定位置添加节点"""
        # 特殊情况
        if pos <= 0:
        # pos小于等于0视为在头部插入元素
            self.add(item)
        # pos大于链表长度，视为在尾部添加
        elif pos > self.length()-1:
            self.append(item)
        
        else:
        # pos 从0开始
        cur = self.__head
        count = 0
         # cur需要移动到pos所在位置的前面
        while count < (pos-1):
            # cur后移
            cur = cur.next
            count += 1
        #当循环退出后，cur指向pos-1位置
        node = Node(item)
        node.next = cur.next
        cur.next = node

2.2.9 remove函数

作用：删除指定位置元素

需要创建两个游标，pre和cur，pre始终指向cur的前一个节点
遍历链表【while cur != None】,如果当前节点不是要删除的节点，则移动 cur 和 pre
当cur指向的元素为要删除的元素相等时，直接让pre的next指针指向cur的next位置，即可删除此节点元素
【注意】
如果要删除的节点为头节点，即cur处于head的位置，则直接让头节点指向cur的下一个节点即可

remove函数思路图解

def remove(self,item):
        """删除节点"""
        # 需要cur和pre两个游标
        cur = self.__head
        pre = None
        while cur != None:
            if cur.elem == item:
                # 如果是头节点，则直接指向cur.next
                if cur == self.__head:
                    self.__head = cur.next
                else:
                    pre.next = cur.next
                break
            else:
                # 不是需要删除的节点则移动游标
                pre = cur
                cur = cur.next

3. 完整代码

class Node(object):
    """节点"""
    def __init__(self,item):
        self.elem = item
        # 创建Node时，还不存在下一个节点,因此默认指定为None
        self.next = None

class SingleLinklist(object):
    """单链表"""
    def __init__(self,node=None):     
        # 头节点,只是类内部使用，因此需要改为私有属性
        # node默认为None，即可以只创建链表，不添加节点
        self.__head = None
        
    def is_empty(self):
        """判断是否为空"""
        return self.__head == None
    
    def length(self):
        """返回长度"""
        # 建立一个游标，由于对链表进行遍历
        # 当count = 0 时，可以解决链表为空的情况
        cur = self.__head
        # count记录数量
        count = 0
        while cur != None:
            count += 1
            cur = cur.next
        return count
    
    def travel(self):
        """遍历列表"""
        cur = self.__head
        while cur != None:
            print(cur.elem,end =" ")
            cur = cur.next
        
    def add(self,item):
        """在头部添加元素 头插法"""
        node = Node(item)
        node.next = self.__head  # 让新节点的下一个元素指向当前头节点的元素
        self.__head = node
        
        
    def append(self,item):
        """在尾部添加元素 尾插法"""
        # 注意item是传进来的一个数据，不是节点
        node = Nonde(item)
        # 需要考虑链表为空的情况
        if self.is_empty():
            self.__head = node
            
        cur = self.__head
        # 让cur一直往后走，走到尾节点
        while cur.next != None:
            cur = cur.next
        cur.next = node
        
        
        
    def insert(self,pos,item):
        """在指定位置添加节点"""
        # 特殊情况
        if pos <= 0:
        # pos小于等于0视为在头部插入元素
            self.add(item)
        # pos大于链表长度，视为在尾部添加
        elif pos > self.length()-1:
            self.append(item)
        
        else:
        # pos 从0开始
        cur = self.__head
        count = 0
         # cur需要移动到pos所在位置的前面
        while count < (pos-1):
            # cur后移
            cur = cur.next
            count += 1
        #当循环退出后，cur指向pos-1位置
        node = Node(item)
        node.next = cur.next
        cur.next = node
        
    def remove(self,item):
        """删除节点"""
        # 需要cur和pre两个游标
        cur = self.__head
        pre = None
        while cur != None:
            if cur.elem == item:
                # 如果是头节点，则直接指向cur.next
                if cur == self.__head:
                    self.__head = cur.next
                else:
                    pre.next = cur.next
                break
            else:
                # 不是需要删除的节点则移动游标
                pre = cur
                cur = cur.next
        
    def search(self,item):
        """查找某个元素是否存在"""
        cur = self.__head
        # 当cur没有移动到末尾时
        while cur != None:
            if cur.elem == item:
                return True
            else:
                cur = cur.next
                
        return False