使用Python构建链表

链表是一种基本的数据结构，它由一系列节点组成，每个节点包含数据本身及一个指向列表中下一个节点的引用（或指针）。与数组不同，链表中的元素并不是在内存中连续存储的，这使得在链表中添加或删除节点时无需移动其他元素。

本文打算手把手的教你使用Python构建单向链表和双向链表。

单向链表

单向链表是链表的一种，其中每个节点只包含一个指向下一个节点的引用。

步骤 1: 定义节点

首先，需要定义链表的节点。节点需要有两个属性：存储的数据和指向下一个节点的引用。

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class ListNode:
    def __init__(self, value=0, next=None):
        self.value = value
        self.next = next

步骤 2: 构建链表

接下来，定义一个链表类来管理这些节点。链表至少应该包含两个方法：一个用于向链表添加新节点，另一个用于遍历链表打印所有节点的值。

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class SingleLinkedList:
    def __init__(self):
        self.head = None
    
    def append(self, value):
        """在链表末尾添加一个新的节点"""
        if not self.head:
            self.head = ListNode(value)
        else:
            current = self.head
            while current.next:
                current = current.next
            current.next = ListNode(value)
    
    def print_list(self):
        """打印链表所有节点的值"""
        current = self.head
        while current:
            print(current.value, end=" ")
            current = current.next
        print()

双向链表

双向链表的每个节点除了有指向下一个节点的引用外，还有一个指向前一个节点的引用。

步骤 1: 定义节点

双向链表的节点需要有三个属性：存储的数据、指向下一个节点的引用和指向前一个节点的引用。

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class DoubleListNode:
    def __init__(self, value=0, prev=None, next=None):
        self.value = value
        self.prev = prev
        self.next = next

步骤 2: 构建链表

定义一个双向链表类来管理节点，提供添加和打印节点的方法。

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class DoubleLinkedList:
    def __init__(self):
        self.head = None
        self.tail = None
    
    def append(self, value):
        """在双向链表末尾添加一个新的节点"""
        if not self.head:
            self.head = self.tail = DoubleListNode(value)
        else:
            self.tail.next = DoubleListNode(value, prev=self.tail)
            self.tail = self.tail.next
    
    def print_list(self):
        """从头到尾打印链表所有节点的值"""
        current = self.head
        while current:
            print(current.value, end=" ")
            current = current.next
        print()

测试

测试单向链表

首先，测试单向链表的添加和打印功能。

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# 单向链表的定义
class ListNode:
    def __init__(self, value=0, next=None):
        self.value = value
        self.next = next

class SingleLinkedList:
    def __init__(self):
        self.head = None
    
    def append(self, value):
        if not self.head:
            self.head = ListNode(value)
        else:
            current = self.head
            while current.next:
                current = current.next
            current.next = ListNode(value)
    
    def print_list(self):
        current = self.head
        while current:
            print(current.value, end=" ")
            current = current.next
        print()

# 测试单向链表
print("单向链表测试:")
sll = SingleLinkedList()
sll.append(1)
sll.append(2)
sll.append(3)
sll.print_list()  # 预期输出: 1 2 3

测试双向链表

接着，测试双向链表的添加和打印功能。

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# 双向链表的定义
class DoubleListNode:
    def __init__(self, value=0, prev=None, next=None):
        self.value = value
        self.prev = prev
        self.next = next

class DoubleLinkedList:
    def __init__(self):
        self.head = None
        self.tail = None
    
    def append(self, value):
        if not self.head:
            self.head = self.tail = DoubleListNode(value)
        else:
            self.tail.next = DoubleListNode(value, prev=self.tail)
            self.tail = self.tail.next
    
    def print_list(self):
        current = self.head
        while current:
            print(current.value, end=" ")
            current = current.next
        print()

# 测试双向链表
print("双向链表测试:")
dll = DoubleLinkedList()
dll.append(4)
dll.append(5)
dll.append(6)
dll.print_list()  # 预期输出: 4 5 6

结尾

通过这两个例子，可以看到单向链表和双向链表在添加元素和打印链表时的工作方式。单向链表通过next指针连接各个节点，而双向链表则通过prev和next指针在节点之间建立双向连接，使得从头到尾或从尾到头遍历链表变得更加方便。这两种链表在不同的场景下各有优势，能够有效地解决各种数据管理问题。