链表题类型注解解惑:理解Optional,理解ListNode

反思:: None是Python对"空指针"这一底层概念的高级抽象。(Python的None就是对C语言中"空指针"这个底层操作的高级包装和简化。)

题目(leetcode)网址:203. 移除链表元素 - 力扣(LeetCode)

解答(代码随想录)网址:代码随想录

问题

刚开始刷算法题,移除链表元素这道题,方法的变量定义是def removeElements(self, head: Optional[ListNode], val: int) -> Optional[ListNode]:我就有些没看懂。

第一个困惑点是不理解Optional[ListNode]的含义,我猜测是head的数据类型为链表节点?但感觉不是很合理,head明明是一个列表。

第二个困惑点是-> Optional[ListNode]这个写到了括号外面,我自己从没这么写过代码,猜测是返回值的类型。

回答

网上查询了一下,记一下2个我猜测对的地方和4个认知盲区。

正确的猜测

(1)ListNode是指的链表节点类型,这是一个自定义数据类型,python中没有。

(2)-> Optional[ListNode]是Python中用于标注函数返回值类型的语法。(因为自己不尝这么写,这次才发现这个标注函数返回值类型是要写在括号外的)

认知盲区

(1)Optional[...]是Python类型注解(Type Hints)的一个高级用法。它来自于 typing 模块。

  • Optional[X] 的完整含义是:这个变量的类型可以是 X,也可以是 None
  • 它等价于更长的写法:Union[X, None]

(2)什么数据类型用Optional[...]来标注?
Optional[X] 的核心语义是:"这里有值(是X类型),或者这里没有值(是None)"。 它代表了一种可能缺失的状态

具体来说,在数据结构中,指针/引用类型都可以这么标注

  • 链表节点head: Optional[ListNode] (链表可能为空)
  • 二叉树节点left: Optional[TreeNode] (左子节点可能不存在)

(3)从两个角度理解"不存在"

我之前听链表的课,也有不存在这个概念,现在从python这个视角又听到了一次。两次的不存在分别是:

  • 1、最后一个节点的指针空间存放的地址为0,代表不存在;
  • 2、python中变量的值为None,代表不存在。

这两个角度一个是从c的角度,一个是从python的角度。

从c的角度

  1. 指针的本质:就是一个内存地址,通常用一个数字(比如64位的长整数)表示。
  2. "空"指针的约定 :为了表示"这个指针不指向任何有效的内存地址",整个计算机行业形成了一个强大的约定:用地址 0(或者0x00000000)来表示"空"(NULL)
  3. 为什么是0? 因为操作系统会保护低地址的内存(特别是地址0),任何程序试图访问地址0都会引发一个"段错误"或"访问违规"。这完美地帮程序员捕捉到了"使用了未初始化指针"的致命错误。

所以,在C/C++这类接近硬件的语言中,链表的实现就是:

c 复制代码
struct ListNode {
    int val;
    struct ListNode *next; // 'next' 就是一个存储着地址数字的变量
};

// 最后一个节点的 next 指针被赋值为 NULL,而 NULL 就是一个宏定义,值是 0
node->next = NULL;

在这个层面,next 里存储的就是一个数字 0

从python的角度

  1. python没有指针:python中的变量像一个"写有内存地址的标签",更抽象的称呼是"引用"
  2. "空"引用的实现:Python需要一种方式来表示"这个引用不指向任何对象"。它选择了一个独一无二的内置对象------None。
  3. 为什么是None?
    • 基础共识None 是一个通用于所有类型的"空"标记 。不管是要表示一个空的整数、字符串、列表,还是一个自定义的 ListNode,永远都用同一个 None
    • 绝对无歧义None 是Python语言中的一个单例对象 (整个程序里只有一个None)。它有自己的类型(NoneType),有自己的内存地址。它存在的唯一目的就是代表"空"或"无"。

所以,在Python中,链表的实现是:

python 复制代码
class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None): # 这里的next期望接收一个"引用"
        self.val = val
        self.next = next   # 'next' 是一个变量,里面存储着一个引用

# 最后一个节点的 next 引用被赋值为 None 这个特殊对象
node.next = None

在这个层面,next 里存储的是对 None 这个特殊对象的引用。

(4)为什么可以这么注释head: Optional[ListNode],将head的数据类型注释为链表节点。题目写的head=[1,2,6,3,4,5,6],这个数据类型不是列表吗?python编译时不会检查变量的数据类型与标注是否相符吗?

首先是,不检查 。Python 在运行时不会强制检查类型注解。

其次是,head=[1,2,6,3,4,5,6]只是题目描述。
这并不代表Python代码层面直接给一个列表 。LeetCode在幕后做了转换,根据列表创建了一整套 ListNode 对象,并将它们连接起来。类似下面这种操作:

python 复制代码
# LeetCode 后台执行了类似这样的代码:
my_list = [1,2,3,4]

nodes = [ListNode(val=num) for num in my_list]
for i in range(len(nodes)-1):
    nodes[i].next = nodes[i+1]
real_head = nodes[0] # 这才是真正传入函数的参数
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