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C++和python實(shí)現(xiàn)單鏈表及其原理

 更新時(shí)間：2022年03月11日 10:17:56   作者：機(jī)器學(xué)習(xí)入坑者  
這篇文章主要介紹了C++和python實(shí)現(xiàn)單鏈表及其原理,單鏈表是鏈表家族中的一員，每個(gè)節(jié)點(diǎn)依舊由數(shù)據(jù)域（data）和指針域（next）組成，鏈表的具體概念下面文章將詳細(xì)介紹，需要的小伙伴可以參考一下

一、鏈表的基本概念

鏈表是數(shù)據(jù)元素的線性集合（Linear Collection），物理存儲(chǔ)不連續(xù)。那么，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是什么？缺點(diǎn)又是什么？

鏈表的基本結(jié)構(gòu)：

鏈表是由一系列的“節(jié)點(diǎn)”組成在一起的集合，節(jié)點(diǎn)（Node）由數(shù)據(jù)域（data）和指針域（next）組成。

從功能上看，data負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，next負(fù)責(zé)存儲(chǔ)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置。當(dāng)然，用更加嚴(yán)格的語(yǔ)句來(lái)講，next存儲(chǔ)的是其直接后繼的地址，關(guān)于直接后繼的定義見(jiàn)：

鏈表的分類：

常見(jiàn)的鏈表種類有：?jiǎn)蜗蜴湵?、雙向鏈表、單向循環(huán)鏈表、雙向循環(huán)鏈表，將會(huì)在后面文章中單獨(dú)介紹各種鏈表的結(jié)構(gòu)和代碼實(shí)現(xiàn)，以及對(duì)應(yīng)的鏈表操作。

鏈表的基本操作：

鏈表的基礎(chǔ)操作包含：插入、刪除、查找、合并等，此外還有：反轉(zhuǎn)、排序、深度復(fù)制等。

鏈表的優(yōu)點(diǎn)：

  • 插入和刪除快；
  • 存儲(chǔ)空間不受限制，可動(dòng)態(tài)申請(qǐng)擴(kuò)充，不需事先開(kāi)辟內(nèi)存；

鏈表的缺點(diǎn)：

  • 相比于數(shù)組，鏈表的需要更多的存儲(chǔ)空間（需存儲(chǔ)指針）；
  • 存儲(chǔ)不連續(xù)導(dǎo)致其訪問(wèn)時(shí)間長(zhǎng)；
  • 從反向訪問(wèn)角度，單向鏈表難以反向訪問(wèn)，擴(kuò)展為雙向鏈表則需要額外存儲(chǔ)反向指針；
  • 每次節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)都需要從頭部開(kāi)始；

二、單鏈表

基本結(jié)構(gòu)：

單鏈表的結(jié)構(gòu)含有四個(gè)概念：頭指針、頭結(jié)點(diǎn)、普通Node、尾結(jié)點(diǎn)，下面分別介紹：

  • 頭指針指向頭結(jié)點(diǎn)，是單鏈表的表示，必不可少；
  • 頭結(jié)點(diǎn)是單鏈表的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)域內(nèi)容一般無(wú)效；
  • 普通Node即用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和直接后繼指針存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)；
  • 尾結(jié)點(diǎn)即鏈表中最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其指針域next為空，其后無(wú)節(jié)點(diǎn)；

單鏈表的基本操作：

針對(duì)單鏈表常見(jiàn)的操作有：增、改、查、刪等，

常用的操作如下：

（1）增

對(duì)鏈表添加元素一般有三種方法：頭插法(add)、尾插法(append)、任意位置插入法(insert)。

（2）改

改動(dòng)鏈表中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的data。

（3）查

查找分為按值查找和按位置查找兩種，前者表示按照值查找對(duì)應(yīng)位置，后者表示按位置查找對(duì)應(yīng)值；

（4）刪

刪除分為按值刪除和按位置刪除兩種；前者表示按照值刪除對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，后者表示按照位置刪除對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)；

實(shí)現(xiàn)說(shuō)明：

按照自己目前所看的資料，一般都會(huì)實(shí)現(xiàn)下面介紹的這些函數(shù)，具體介紹放在python和C++實(shí)現(xiàn)中。

1.python實(shí)現(xiàn)

（1）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

按照單鏈表的定義可知，節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)域data和指針域next：

但是由于next和python的內(nèi)置函數(shù)next()重名，所以指針域使用pointer表示。

代碼如下：

class Node:
? ? def __init__(self, data):
? ? ? ? """
? ? ? ? Args:
? ? ? ? ? ? data: data of node, any type?
? ? ? ? """
? ? ? ? self.data = data
? ? ? ? self.pointer = None

（2）鏈表類：Single_Linked_List

上述Node類對(duì)象即為鏈表的基本組成結(jié)構(gòu)，可以用于實(shí)現(xiàn)頭結(jié)點(diǎn)、普通節(jié)點(diǎn)和尾結(jié)點(diǎn)。

因此，鏈表類只需要提供頭指針：

class Single_Linked_List:
? ? def __init__(self, node=None):
? ? ? ? self.__head = node

（3）判斷鏈表是否為空：is_empty()函數(shù)

實(shí)際上，只需要判斷頭指針是否指向Node類對(duì)象（或是否等于None），就可判斷一個(gè)鏈表是否為空：

def is_empty(self):
? ? """判斷鏈表是否為空"""
? ? if self.__head == None:
? ? ? ? return True
? ? else:
? ? ? ? return False

（4）頭插法：add()函數(shù)

在鏈表頭進(jìn)行節(jié)點(diǎn)插入是很常見(jiàn)的插入操作，這種方式使得“先插入的節(jié)點(diǎn)在鏈表尾部”。頭插法需要將頭指針指向新的節(jié)點(diǎn)，并讓新的節(jié)點(diǎn)指向原來(lái)的頭結(jié)點(diǎn)：

def add(self, data):
? ? """Add dnode into head
? ? """?
? ? # 創(chuàng)建新節(jié)點(diǎn)
? ? node = Node(data)
? ? # 令新的節(jié)點(diǎn)指向原來(lái)的頭結(jié)點(diǎn)
? ? node.pointer = self.__head
? ? # 令頭指針指向新的節(jié)點(diǎn)
? ? self.__head = node

（5）尾插法：append()函數(shù)

如果想要鏈表節(jié)點(diǎn)次序和插入次序相同，就需要使用尾插法。在插入之前需要判斷鏈表是否為空，如果不為空才能進(jìn)行插入（可以調(diào)用前面定義的is_empty()函數(shù)，但是下述代碼沒(méi)有）。

此外，還需要進(jìn)行鏈表的遍歷操作，找到最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。單鏈表只能從表頭開(kāi)始訪問(wèn)，所以每次尾插都必須遍歷。

def append(self, data):
? ? """ append node into tail
? ? """
? ? node = Node(data)
? ??
? ? # 頭指針為空時(shí)即為首節(jié)點(diǎn)
? ? if self.__head == None:
? ? ? ? self.__head = node
? ? # 頭指針不為空時(shí)進(jìn)行遍歷
? ? else:
? ? ? ? current = self.__head
? ? ? ? while current.pointer != None:
? ? ? ? ? ? current = current.pointer
? ? ? ? current.pointer = node

（6）在任意位置插入：insert()函數(shù)

前面介紹的頭插法和尾插法，其原理相對(duì)簡(jiǎn)單，但是并不能完全滿足插入需求。如果知道目標(biāo)插入的位置，可以采用insert()函數(shù)實(shí)現(xiàn)任意位置的節(jié)點(diǎn)插入。

需要注意的是，在實(shí)現(xiàn)insert()函數(shù)時(shí)必須考慮到“position”參數(shù)可能出現(xiàn)的幾種情況。比如python中并沒(méi)有明確的類型要求，所以要檢查“position”是不是int類型。

對(duì)于核心的節(jié)點(diǎn)插入實(shí)現(xiàn)功能，需要找到目標(biāo)插入位置對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，并使得這個(gè)節(jié)點(diǎn)指向新節(jié)點(diǎn)，讓新節(jié)點(diǎn)指向原位置節(jié)點(diǎn)的后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程類似于鐵鏈中加入鐵環(huán)的過(guò)程，要保證新鐵環(huán)和原來(lái)的兩個(gè)鐵環(huán)相連接。

def insert(self, position, data):
? ? """在任意位置插入節(jié)點(diǎn)
? ? Args:
? ? ? ? position:插入節(jié)點(diǎn)的位置,int
? ? ? ? data:插入節(jié)點(diǎn)的值
? ? """
? ??
? ? if not isinstance(position, int):
? ? ? ? raise ValueError("expect type is 'int', but got {}".format(position.__class__))
? ??
? ? # 頭插法
? ? if position <= 0:
? ? ? ? self.add(data)
? ? # 尾插法
? ? elif position > self.get_length():
? ? ? ? self.append(data)
? ??
? ? else:
? ? ? ? current = self.__head
? ? ? ? current_position = 0
? ? ? ? node = Node(data)
? ? ? ? # 目的：計(jì)算出插入位置
? ? ? ? while current_position < position -1:
? ? ? ? ? ? current_position += 1
? ? ? ? ? ? current = current.pointer
? ? ? ? # 首先：必須使得當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的pointer指針指向新建的node
? ? ? ? # 其次：必須保證新建的node的pointer指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的后一個(gè)節(jié)點(diǎn)
? ? ? ? node.pointer = current.pointer
? ? ? ? current.pointer = node

（7）計(jì)算鏈表長(zhǎng)度：get_length()函數(shù)

對(duì)于調(diào)用者和類內(nèi)部的其它函數(shù)來(lái)做，鏈表長(zhǎng)度是一個(gè)非常有用的值。比如在插入函數(shù)insert()中，需要判斷插入位置是不是大于鏈表長(zhǎng)度。

計(jì)算鏈表長(zhǎng)度的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，只需要遍歷鏈表的所有節(jié)點(diǎn)，并用計(jì)數(shù)器來(lái)統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目即可。

def get_length(self):
? ? """ 獲取鏈表的長(zhǎng)度"""
? ? # 沒(méi)有任何node
? ? if self.__head == None:
? ? ? ? return 0
? ? # 節(jié)點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)
? ? else:
? ? ? ? current = self.__head
? ? ? ? length = 0
? ? ? ? while current != None:
? ? ? ? ? ? current = current.pointer
? ? ? ? ? ? length += 1
? ? ? ? return length

（8）遍歷所有節(jié)點(diǎn)：traversal()函數(shù)

鏈表、樹(shù)、圖等結(jié)構(gòu)都需要遍歷操作，其中鏈表的遍歷比較簡(jiǎn)單，只需要依次的訪問(wèn)所有節(jié)點(diǎn)即可。

def traversal(self):
? ? current = self.__head
? ? i = 0
? ? # 循環(huán)結(jié)束的條件依舊是節(jié)點(diǎn)的pointer指向不為空
? ? while current != ?None:
? ? ? ? print("Element {} is {} ".format(i, current.data))
? ? ? ? current = current.pointer
? ? ? ? i += 1

（9）搜索：search()函數(shù)

前面提到搜索有按值搜索和按位置搜索兩種，它們的原理和實(shí)現(xiàn)都十分相似，所以僅以按值搜索為例。

需要注意的是，insert()函數(shù)需要判斷鏈表是否為空，并且需要考慮到目標(biāo)值不在鏈表中的情況，分別對(duì)應(yīng)不同的返回值。

def search(self, data):
? ? """ 返回值為data的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)"""
? ? if self.__head == None:
? ? ? ? return -1
? ? else:
? ? ? ? current = self.__head
? ? ? ? current_position = 0
? ? ? ? # 遍歷節(jié)點(diǎn)
? ? ? ? while current != None:
? ? ? ? ? ? # 目標(biāo)值搜索成功
? ? ? ? ? ? if current.data == data:
? ? ? ? ? ? ? ? return current_position
? ? ? ? ? ? # 目標(biāo)值搜索不到則繼續(xù)搜索 ? ? ??
? ? ? ? ? ? else:
? ? ? ? ? ? ? ? current_position += 1
? ? ? ? ? ? ? ? current = current.pointer
? ? # 目標(biāo)值不存在于鏈表中 ? ? ? ??
? ? return False

（10）刪除：delete()函數(shù)

上述的查找中以“按值查找”為例，這次刪除中同樣以“按值刪除”為例，“按位置刪除”的實(shí)現(xiàn)與之類似。

按值刪除，即刪除目標(biāo)值對(duì)應(yīng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。在進(jìn)行遍歷時(shí)，需要記錄當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前一個(gè)節(jié)點(diǎn)。因?yàn)?，一旦查找大目?biāo)值所在的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，需要令目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的前一個(gè)節(jié)點(diǎn)指向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即完成節(jié)點(diǎn)的刪除。

def delete(self, data):
? ? """ 刪除值為data的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)"""
? ? if self.is_empty():
? ? ? ? return None
? ??
? ? # 記錄當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和前一個(gè)節(jié)點(diǎn)
? ? current = self.__head
? ? piror = None
? ? while current != None:
? ? ? ? # 查找成功分為兩種情況
? ? ? ? if current.data == data:
? ? ? ? ? ? # 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為頭結(jié)點(diǎn)
? ? ? ? ? ? if current == self.__head:
? ? ? ? ? ? ? ? self.__head = self.__head.pointer
? ? ? ? ? ? ? ? return True
? ? ? ? ? ? ?# 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)不是頭結(jié)點(diǎn)
? ? ? ? ? ? ?# 令目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的前一個(gè)節(jié)點(diǎn)指向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的后一個(gè)節(jié)點(diǎn) ??
? ? ? ? ? ? else:
? ? ? ? ? ? ? ? piror.pointer = current.pointer
? ? ? ? ? ? ? ? return True
? ? ? ? ?# 更新當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和前一個(gè)節(jié)點(diǎn)
? ? ? ? ?else:
? ? ? ? ? ? piror = current
? ? ? ? ? ? current = current.pointer
? ? return False ??

2.C++實(shí)現(xiàn)

前面的python實(shí)現(xiàn)中已經(jīng)分析了各個(gè)函數(shù)的作用，以及對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。雖然python和C++的語(yǔ)法不同，但是核心過(guò)程是類似的，所以下面不再重復(fù)對(duì)過(guò)程的敘述。

（1）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于C++的指針必須指定類型，所以需要使用空指針NULL作為pointer的值。

class Node{
public:
?? ?int data;
?? ?Node *pointer=NULL;
};

（2）鏈表類：SingleLinkedList

遵循聲明和實(shí)現(xiàn)分類的策略，先對(duì)各個(gè)函數(shù)進(jìn)行聲明。

class SingleLinkedList {
public:
?? ?SingleLinkedList();
?? ?bool isEmpty();
?? ?int getLength();
?? ?void add(int data);
?? ?void append(int data);
?? ?void insert(int position, int data);
?? ?void traversal();
?? ?int search(int data);
?? ?void remove(int data);

private:
?? ?Node *head;
};

（3）判斷鏈表是否為空：isEmpty()函數(shù)

bool SingleLinkedList::isEmpty() {
?? ?// 頭結(jié)點(diǎn)不指向任何結(jié)點(diǎn)，為空
?? ?if (head->pointer == NULL) {
?? ??? ?return true;
?? ?}
?? ?else {
?? ??? ?return false;
?? ?}
}

（4）頭插法：add()函數(shù)

void SingleLinkedList::add(int data) {
?? ?// 當(dāng)原列表僅有頭結(jié)點(diǎn)時(shí)，直接插入新節(jié)點(diǎn)即可
?? ?if (head->pointer == NULL) {
?? ??? ?head->pointer = new Node;
?? ??? ?head->pointer->data = data;
?? ??? ?
?? ?}
?? ?// 當(dāng)原列表頭結(jié)點(diǎn)后面含有后繼節(jié)點(diǎn)時(shí)
?? ?// 令頭結(jié)點(diǎn)直接后繼為新節(jié)點(diǎn)
?? ?// 并令新節(jié)點(diǎn)的直接后繼為原來(lái)頭結(jié)點(diǎn)的直接后繼
?? ?else {
?? ??? ?// 臨時(shí)存儲(chǔ)頭結(jié)點(diǎn)的直接后繼
?? ??? ?Node *temp = head->pointer;
?? ??? ?head->pointer = new Node;
?? ??? ?head->pointer->data = data;
?? ??? ?head->pointer->pointer = temp;
?? ?}
}

（5）尾插法：append()函數(shù)

void SingleLinkedList::append(int data) {
?? ?Node *current = head->pointer;
?? ?// 找到列表的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置current
?? ?// current的指針域?yàn)镹ULL
?? ?while (current->pointer!=NULL)
?? ?{
?? ??? ?current = current->pointer;
?? ?}
?? ?// 令current的指針域指向新節(jié)點(diǎn)，完成插入
?? ?current->pointer = new Node;
?? ?current->pointer->data = data;
}

（6）在任意位置插入：insert()函數(shù)

void SingleLinkedList::insert(int position, int data) {
?? ?// 頭插法
?? ?if (position <= 0) {
?? ??? ?add(data);
?? ?}
?? ?// 尾插法
?? ?else if (position > getLength()){
?? ??? ?append(data);
?? ?}
?? ?else {
?? ??? ?// 令頭指針?biāo)诘奈恢脼?
?? ??? ?int current_position = 0;
?? ??? ?Node *current = head;
?? ??? ?Node *prior = NULL;
?? ??? ?// 查找目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置current，并記錄其直接前驅(qū)節(jié)點(diǎn)piror
?? ??? ?while (current_position<position)
?? ??? ?{
?? ??? ??? ?// 更新當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和直接前驅(qū)
?? ??? ??? ?prior = current;
?? ??? ??? ?current = current->pointer;
?? ??? ??? ?current_position++;
?? ??? ?}
?? ??? ?// 目標(biāo)位置的直接前驅(qū)prior指向新節(jié)點(diǎn)
?? ??? ?// 新節(jié)點(diǎn)指向目標(biāo)位置的節(jié)點(diǎn)
?? ??? ?prior->pointer = new Node;
?? ??? ?prior->pointer->data = data;
?? ??? ?prior->pointer->pointer = current;
?? ?}
};

（7）計(jì)算鏈表長(zhǎng)度：getLength()函數(shù)

int SingleLinkedList::getLength() {
?? ?int counter = 0;
?? ?Node *current = head;
?? ?// 遍歷鏈表，直到最后一個(gè)元素
?? ?while (current->pointer!=NULL)
?? ?{
?? ??? ?counter++;
?? ??? ?current = current->pointer;
?? ?}
?? ?return counter;
}

（8）遍歷所有節(jié)點(diǎn)：traversal()函數(shù)

void SingleLinkedList::traversal() {
?? ?Node *current;
?? ?// 指向頭結(jié)點(diǎn)的直接后繼
?? ?current = head->pointer;
?? ?int counter = 1;
?? ?// 遍歷鏈表，輸出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的值
?? ?while (current!=NULL)
?? ?{
?? ??? ?printf("Element in %d is %d \n", counter, current->data);
?? ??? ?counter++;
?? ??? ?current = current->pointer;
?? ?}
}

（9）搜索：search()函數(shù)

int SingleLinkedList::search(int data) {
?? ?int current_position = 1;
?? ?Node *current = head->pointer;
?? ?while (current!=NULL)
?? ?{
?? ??? ?// 搜索成功返回當(dāng)前位置
?? ??? ?if (current->data == data) {
?? ??? ??? ?return current_position;
?? ??? ?}
?? ??? ?// 繼續(xù)更新位置；
?? ??? ?current = current->pointer;
?? ??? ?current_position++;
?? ?}
?? ?// 搜索失敗，返回-1
?? ?return -1;
}

（10）刪除：remove()函數(shù)

void SingleLinkedList::remove(int data) {
?? ?Node *current = head->pointer;
?? ?Node *prior = head;
?? ?// 遍歷鏈表
?? ?while (current!=NULL)
?? ?{
?? ??? ?// 查找到目標(biāo)位置
?? ??? ?if (current->data == data) {
?? ??? ??? ?// 令目標(biāo)位置的直接前驅(qū)指向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的直接后繼
?? ??? ??? ?prior->pointer = current->pointer;
?? ??? ??? ?break;
?? ??? ?}
?? ??? ?// 更新當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和其前驅(qū)節(jié)點(diǎn)
?? ??? ?prior = current;
?? ??? ?current = current->pointer;
?? ?}
}

總結(jié)：

在使用python實(shí)現(xiàn)時(shí)，頭結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)域data是有效的。這種方式使得代碼中需要很多的“if-else”判斷結(jié)構(gòu)，增加了代碼的復(fù)雜性。

在使用C++實(shí)現(xiàn)時(shí)，頭結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)域data是無(wú)效的，這種方式使得代碼更加簡(jiǎn)潔。

到此這篇關(guān)于C++和python實(shí)現(xiàn)單鏈表及其原理的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++,python單鏈表內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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    2023-08-08
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    2015-03-03
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    2021-04-04
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    2022-06-06
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    2021-04-04
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    2021-07-07

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