Python实现双向链表

Posted 2022-09-15 小斌哥ge

Python实现双向链表

本篇文章使用 Python 来实现双向链表。

一、定义一个创建节点的类

链表是由一个一个的节点组成的，在创建链表之前，要先创建节点，然后把节点“串”到链表上。在同一个链表中，每个节点的结构都相同，只是节点中保存的数据不同和链接域的值不同，所以提前声明一个创建节点的类，需要创建节点时实例化即可。

# coding=utf-8
class Node(object):

    def __init__(self, data):
        self.prev = None
        self.data = data
        self.next = None

双向链表的节点包含三个域，一个信息域(元素域)和两个链接域(引用域)，一个链接域指向前一个节点，一个链接域指向后一个节点，头节点向前的链接域指向空，尾节点向后的链接域指向空。在实例化一个节点时，传入该节点中保存的数据，保存到信息域中，链接域默认为空，当对节点进行“链接”操作时，再设置具体的链接域。

二、定义一个双向链表类

对于链表，在没有将节点“链接”上去时，链表里没有节点和数据。实例化一个双向链表时，这个双向链表是一个空链表，把节点依次“链接”上去后，链表中才有节点和数据。

在链表中，要找到链表的某个节点，需要从链表的头节点开始，依次寻找，所以在实例化一个链表时，必须定义好链表的“头”，当加入头节点时，将链表的“头”指向头节点。

定义一个双向链表类 DoubleLinkList，初始化一个双向链表时，链表的“头”指向空值，默认为空链表。

class DoubleLinkList(object):

    def __init__(self):
        self.__head = None

三、实现双向链表的展示功能

def is_empty(self):
        return not self.__head

    def show(self):
        if self.is_empty():
            print(空链表)
            return
        cur = self.__head
        while cur is not None:
            if cur.next is not None:
                print(cur.data, end=←→)
            else:
                print(cur.data)
            cur = cur.next

先实现判断链表是否为空的方法 is_empty() ，实例化链表时，默认是空的，链表的头指向为空。所以，如果链表的头指向为空(对应布尔值False)， is_empty() 的值就为 True ，反之。

展示链表中的数据，就是将链表中所有的数据依次打印输出。链表不像顺序表有“索引”，链表只能从头节点开始依次往下找，直到尾节点。所以链表不能使用 for 循环进行遍历，只能使用 while 循环进行遍历，并使用一个游标 cur 来记录当前所处的节点，通过游标 cur 向下一个节点移动来遍历，当向后的链接域指向空(尾节点)时停止。

实现 show() 方法时，为了更形象地展示链表中每个节点的关系，我在相邻两个节点之间使用左箭头加右箭头连接(空链表无效果)。

if __name__ == __main__:
    d = DoubleLinkList()
    print("is_empty: ", d.is_empty())
    d.show()

运行结果：

is_empty:  True
空链表

四、实现双向链表中添加数据的功能

def add(self, data):
        node = Node(data)
        if self.is_empty():
            self.__head = node
            return
        node.next = self.__head
        self.__head.prev = node
        self.__head = node

    def append(self, data):
        if self.is_empty():
            self.add(data)
            return
        cur = self.__head
        while cur.next is not None:
            cur = cur.next
        node = Node(data)
        node.prev = cur
        cur.next = node

    def length(self):
        length = 0
        cur = self.__head
        while cur is not None:
            length += 1
            cur = cur.next
        return length

    def insert(self, index, data):
        if index <= 0:
            self.add(data)
            return
        if index > self.length() - 1:
            self.append(data)
            return
        cur = self.__head
        for i in range(index - 1):
            cur = cur.next
        node = Node(data)
        node.next = cur.next
        node.prev = cur
        cur.next.prev = node
        cur.next = node

添加数据到链表中，可以从头部添加、从尾部添加或从指定位置添加。

无论将数据添加到链表的哪个位置，都要先创建一个新节点，新节点里存放对应的数据，然后将新节点添加到指定的位置。

add(data)：从头部添加时，链表原来的头节点会成为第二个节点，新节点成为头节点。添加分为三步，第一步将新节点向后的链接域指向原来的头节点，第二步将旧的头节点向前的链接域指向新节点，第三步将链表的头指向新节点(注意顺序不能变)。如果原来的链表为空，则链表的头原来是指向空，所以直接将链表的头指向新节点即可。

append(data)：从尾部添加时，找到链表的尾节点，添加分为两步，第一步将尾节点向后的链接域指向新节点，第二步将新节点向前的链接域指向尾节点。如果原来的链表为空，则链表没有尾节点，这时候与从头部添加一样，直接调用即可。

insert(index, data)：在指定位置添加数据时，要使用一个游标 cur 来找到此位置的前一个节点，添加分为四步，第一步将新节点向后的链接域指向此位置原来的节点，第二步将游标记录的节点向后的链接域指向新节点，第三步将此位置原来的节点向前的链接域指向新节点，第四步将新节点向前的链接域指向游标记录的节点，这样就成功将新节点插入到了指定位置。

如果指定的位置是负数或超过了链表最大长度，则需要特殊处理，上面的处理是负数在头部添加，超过最大长度在尾部添加。也可以直接抛出 IndexError ，这个可以自己按需选择。

同时，上面实现了获取双向链表长度的方法 length()，返回链表当前的节点个数。

d.add(10)
    d.add(100)
    d.append(20)
    d.append(30)
    d.append(40)
    d.show()
    d.insert(1, 200)
    d.show()
    print("链表长度：", d.length())

运行结果：

100←→10←→20←→30←→40
100←→200←→10←→20←→30←→40
链表长度： 6

五、实现双向链表的查询和修改功能

def is_exist(self, value):
        cur = self.__head
        while cur is not None:
            if cur.data == value:
                return True
            cur = cur.next
        return False

    def index(self, value):
        index = 0
        cur = self.__head
        while cur is not None:
            if cur.data == value:
                return index
            cur = cur.next
            index += 1
        return -1

    def setitem(self, index, value):
        if index < 0:
            raise IndexError
        if index > self.length() - 1:
            raise IndexError
        cur = self.__head
        for i in range(index):
            cur = cur.next
        cur.data = value

is_exist(value)：判断一个数据是否存在链表中，遍历双向链表的每个节点，如果节点的数据值与目标值相等，则说明链表中存在目标值。

index(value)：返回一个数据在链表中的第几个节点，与判断是否存在的实现方式一样，这里返回的是数据处于第几个节点中，如果链表中不存在这个数据，则返回-1。

setitem(index, value)：修改指定位置的节点的数据，先根据给定的值，找到链表中该位置的节点，然后修改节点中的数据。如果数值小于零或大于链表长度，抛出 IndexError 。

print(d.is_exist(200))
    print(d.index(20))
    d.setitem(2, 300)
    d.show()

运行结果：

True
3
100←→200←→300←→20←→30←→40

六、实现双向链表的删除功能

def remove(self, index):
        if index < 0:
            raise IndexError
        if index > self.length() - 1:
            raise IndexError
        cur = self.__head
        for i in range(index):
            cur = cur.next
        if cur == self.__head:
            self.__head = self.__head.next
            if cur.next:
                cur.next.prev = None
            return
        if cur.next is None:
            cur.prev.next = cur.next
            return
        cur.prev.next = cur.next
        cur.next.prev = cur.prev

    def delete(self, value):
        cur = self.__head
        while cur is not None:
            if cur.data == value:
                if cur == self.__head:
                    self.__head = self.__head.next
                    if cur.next:
                        cur.next.prev = None
                    return
                if cur.next is None:
                    cur.prev.next = cur.next
                    return
                cur.prev.next = cur.next
                cur.next.prev = cur.prev
                return
            cur = cur.next

    def delete_all(self, value):
        cur = self.__head
        while cur is not None:
            if cur.data == value:
                if cur == self.__head:
                    self.__head = self.__head.next
                    if cur.next:
                        cur.next.prev = None
                    self.delete_all(value)
                    return
                if cur.next is None:
                    cur.prev.next = cur.next
                    self.delete_all(value)
                    return
                cur.prev.next = cur.next
                cur.next.prev = cur.prev
                self.delete_all(value)
                return
            cur = cur.next

remove(index)：删除指定位置的节点，将节点删除后，要保证链表不断开。通过游标 cur 找到节点，再使用一个游标 prev 来记录当前节点的前一个节点，删除分为两步，第一步将前一个节点向后的链接域指向当前节点的后一个节点，第二步将后一个节点向前的链接域指向前一个节点。如果删除的是头节点，则将链表的头指向第二个节点，然后将第二个节点向前的链接域指向空，如果只有一个节点，则直接将链表的头指向空就行了。如果删除的是尾节点，则将倒数第二个节点向后的链接域指向空。如果指定的位置小于零或超过链表长度，则抛出 IndexError 。

delete(value)：删除指定值的节点，先遍历链表，找到对应值的节点。使用游标 cur 记录要删除的节点，使用另一个游标 prev 来记录当前节点的前一个节点，删除步骤与 remove(index) 相同。

使用这个方法，如果链表中有多个满足条件的节点，只会删除最前面的一个节点。

delete_all(value)：删除数据等于指定值的所有节点，如果链表中有多个节点的数据与目标值相等，删除第一个节点后，链表的长度发生了改变，继续遍历和删除节点，会出现删除不完全甚至程序出错的情况。所以在删除第一个节点之后，递归调用自身，这样重新遍历时使用的是新的链表长度，不会出现漏删或错误。

d.remove(3)
    d.show()
    d.delete(40)
    d.show()
    d.add(40)
    d.insert(3, 40)
    d.insert(3, 40)
    d.append(40)
    d.append(40)
    d.show()
    d.delete_all(40)
    d.show()

运行结果：

100←→200←→300←→30←→40
100←→200←→300←→30
40←→100←→200←→40←→40←→300←→30←→40←→40
100←→200←→300←→30

以上就是用 Python 实现的双向链表及双向链表的一些简单操作方法。