python数据结构——线性表

线性表

线性表可以看作是一种线性结构（可以分为顺序线性结构，离散线性结构）

1. 线性表的种类：

1. 顺序表

   元素存储在一大块连续存储的地址中，首元素存入存储区的起始位置，其余元素顺序存放。
   
   （元素之间的逻辑关系与物理地址上相邻的关系相同）

2. 链接表：

   将表元素存放在通过链接构造的一系列存储块中
   （元素的物理位置不相邻）

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2. 顺序表的实现

• 顺序表的实现

  思路：

$$
Loc(e_i) = Loc(e_0)+c*i
$$
​ 其中c为存储一个元素所需要的空间，即size

​ 元素内置：下图左 元素外置：下图右

1. 元素内置：

​ 必须保证每个存储单元的大小相同，即同类型

1. 元素外置：

​ 本质上存储的是元素存储的真实地址（即将元素外置，通过存储的该元素的地址从而找到该元素），可以存储如列表等含有多 种类型数据的可迭代对象（存储不同类型的数据，占用的内存你大小是不一样的）

补充：
    int类型 数据在内存中占4个字结（byte，32位）
    char类型数据在内存中占1个字结
    内存中从下为0开始计数，反人类的设计，本质上是记录的偏移量    

• 顺序表的结构：包含 表头信息 ，数据区 两个部分

• 表头信息： 该顺序表的容量，当前已经存储元素个数

• 数据区：数据区如下图与表头的关系
  

  一体式:图左 分离式：图右

  1. 分离式：便于顺序表的扩充，本质上是将原有第二段分表复制到一块内存区更大分表中，然后释放这个小的分表（通常使用分离式）
  2. 一体式：顺序表的扩充本质上是复制到更大的内存块中，表头地址改变

• 元素存储区的扩充的策略问题（预留机制）

  • 每次扩充增加固定的数目的存储（结省空间）
  • 翻倍扩充法，每次扩充是上一次2倍或n倍（空间换时间）

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3. 链表的实现

• 链表（链接表）的实现

特点：
    1. 离散的进行存储，每次来一个数据申请一个数据空间
    2. 采用手拉手的方式，让每个数据空间多出一块地址存放下一个数据空间的地址，即可以通过一个数据的数据空间可以找到与该数据直接相邻的数据空间（数据空间即结点）
    3. 可以充分的利用计算机的存储空间
    

• 结点的构成： 数据区+链接区

• 单向链表
  

• 单向循环链表

• 双向链表

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4. 单向链表

​ 只能从表头位置依次往后访问

• 头结点：第一个结点

• 尾结点：最后一个结点，链接区指向空

• 单向链表的常用操作

  操作	含义
  def init(self,node=None)	初始化单列表，设置头指针（头结点）指向第一个点解
  def is_empty(self)	判断链表是都为空
  def length(self)	返回链表长度（链表的结点数量）
  def traval(self)	遍历整个链表
  def add(self,item)	头插法 向链表添加元素
  def append(self,item)	尾插法 向链表添加数据区为item的结点
  def insert(self,pos,item)	向链表的指定位置插入数据区为item的结点
  def remove(self,item)	删除链表中的结点数据区的数据等于item的结点
  def search(self,item)	查找链表中数据区为item的结点

• 时间复杂度的比较（单项列表与顺序表）

  操作	单向链表	顺序表
  查找元素	O(n)	O(1)
  插入元素	O(n)	O(n)
  修改元素	O(n)	O(1)
  删除元素	O(n)	O(n)

  #注：单项链表与顺序表在存储元素时，主要区别如下
  1. 单向链表能够从更加充分的利用计算机的存储空间（单向链表时离散存储，顺序表是顺序存储）
  
  2. 单向链表存储与顺序表存储相同数量的元素时，单向链表耗费的内存空间更大（单向链表的每个结点除了需要开辟数据的存储空间，还开辟了存储下一个结点地址的存储空间，因而耗费存储空间更大）
  
  3. 插入元素与删除元素时虽然者二者耗费的是时间复杂度相同，但本质意义不同：
    单向链表的时间消耗主要耗费在结点的查询中
    顺序表的时间消耗主要耗费在数据的移动中
  

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5. 单向链表代码清单

#定义一个头结点
class Node(object):
    def __init__(self,elem):
        self.elem = elem
        #初始状态next指向None
        self.next = None

#定义单链表
#目标，需要把结点串联起来
#围绕增删改查的操作时针对链表的对象的方法
#因此对象方法此处定义的均为对象方法
class SingLinkList(object):

    def __init__(self,node=None):
        #这里定义的头结点相当于头指针指向第一个结点
        self.__head = node

    def is_empty(self):
        #判断链表是都为空
        return self.__head == None

    def length(self):
        """链表长度"""
        #cur游标遍历结点,与头指针一样指向头结点
        cur = self.__head
        #记录结点数量
        count = 0
        while cur != None:
            count += 1
            cur = cur.next
        return count

    def traval(self):
        """遍历整个链表"""
        cur = self.__head
        while cur != None:
            print(cur.elem,end=' ')
            cur = cur.next
    #头插法
    def add(self,item):
        """在头部添加元素（头插法）"""
        node = Node(item)
        node.next = self.__head
        self.__head = node

    #尾插法
    def append(self,item):
        """在链表尾部添加（尾插法）"""
        #先将传入的数据构造成结点
        node  = Node(item)
        if self.is_empty():
            #如果为空，则直接将node作为头结点加入
            self.__head = node
        else:
            cur = self.__head
            while cur.next != None:
                cur = cur.next
            cur.next = node

    def insert(self,pos,item):
        """在指定位置添加元素
        :param index 从0开始
        """
        #构建pre指针，也指向头结点
        if pos < 0:
            self.add(item)
        elif pos > linkList.length()-1:
            self.append(item)
        else:
            pre = self.__head
            count = 0
            while count < (pos-1):
                count+=1
                pre = pre.next
            #循环推出后，pre指向pos-1的位置
            node = Node(item)
            node.next = pre.next
            pre.next = node

    def remove(self,item):
        """删除结点"""
        cur = self.__head
        pre = None
        while cur != None:
            if cur.elem == item:
                #先判断此结点是否为头结点
                if cur == self.__head:
                    self.__head = cur.next
                break
            else:
                pre = cur
                cur = cur.next

    def search(self,item):
        """查找结点是否存在"""
        cur = self.__head
        while cur != None:
            if cur.elem == item:
                return True
            else:
                cur = cur.next
        return  False

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6. 双向链表

​ 可以从前往后访问，也可以从后往前访问

• 双向链表的常用操作

  ​ 参考单向链表，基本类似，只需要修改部分方法即可，在此不做过多赘述

• 修改部分方法的列表如下

  操作	含义
  def add(self,item)	双向链表的头插法
  def append(self,item)	双向链表的尾插法
  def insert(self,pos,item)	插入元素
  def remove(self,item)	删除元素

  #注：
  1. 双向链表的实现与单项链基本相似，仅在单向链表的每个结点前加入了一个前驱游标（指针prev）
  2. 实现方法中仅修改了四个关于元素添加和删除的方法，其余均与单向链表一致，详情见下面的代码清单
  3. 方便代码重用性，减少代码量，可继承实现单向链表的类（此问题不在赘述，这里重点讨论数据结构如何实现）

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7. 双向链表代码清单

#双向链表的结点重新定义，增加了前驱游标（指针）
class Node(object):
    """双向链表的结点"""
    def __init__(self,item):
        self.elem = item
        self.next = None
        self.prev = None


class DoubleLinkList(object):
    """双链表"""
    def __init__(self,node=None):
        #这里定义的头节点相当于头指针指向第一个节点
        self.__head = node

    #头插法
    def add(self,item):
        """在头部添加元素（头插法）"""
        node = Node(item)
        node.next = self.__head
        self.__head.prev = node
        self.__head = node
        #也可以一下方法，方法不唯一
        # node.next.prev = node

    #尾插法
    def append(self,item):
        """在链表尾部添加（尾插法）"""
        #先将传入的数据构造成节点
        node  = Node(item)
        if self.is_empty():
            #如果为空，则直接将node作为头节点加入
            self.__head = node
        else:
            cur = self.__head
            while cur.next != None:
                cur = cur.next
            cur.next = node
            node.prev = cur

    def insert(self,pos,item):
        """在指定位置添加元素
        :param index 从0开始
        """
        #构建pre指针，也指向头节点
        if pos < 0:
            self.add(item)
        elif pos > self.length()-1:
            self.append(item)
        else:
            cur = self.__head
            count = 0
            while count < (pos-1):
                count+=1
                cur = cur.next
            #循环推出后，pre指向pos-1的位置
            node = Node(item)
            node.next = cur
            node.prev = cur.prev
            node.prev.next = node
            cur.prev = node

    def remove(self,item):
        """删除节点"""
        cur = self.__head
        while cur != None:
            if cur.elem == item:
                #先判断此节点是否为头节点
                if cur == self.__head:
                    self.__head = cur.next
                    if cur.next:
                        #判断链表是否只有一个结点
                        cur.next.prev = None
                else:
                    cur.prev.next = cur.next
                    if cur.next:
                        cur.next.prev = cur.prev
                break
            else:
                cur = cur.next

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8. 单向循环链表

也是在单向链表的基础上加以改进，与单向链表唯一的区别就是尾结点的next不在指向None,而是指向了第一个节点

• 考虑问题的思路:以单向循环链表为例，先考虑一般情况

  ​ 在考虑特殊情况比如表头结点，表为节点，表是都为 空，表内只有一个节点等特殊情况，情况考虑完全，则代码实现后，该结构则实现的比较完全

• 单向循环链表的操作

  操作	含义
  def init(self,node=None)	初始化单列表，设置头指针（头结点）指向第一个点解
  def is_empty(self)	判断链表是都为空
  def length(self)	返回链表长度（链表的结点数量）
  def traval(self)	遍历整个链表
  def add(self,item)	头插法 向链表添加元素
  def append(self,item)	尾插法 向链表添加数据区为item的结点
  def insert(self,pos,item)	向链表的指定位置插入数据区为item的结点
  def remove(self,item)	删除链表中的结点数据区的数据等于item的结点
  def search(self,item)	查找链表中数据区为item的结点

  和单向链表情况基本类似，这里不再过多赘述，仅需要在单项链表的基础上考虑多种特殊情况，见下面的代码清单（已测试，无问题，此处省略测试代码，读者可自行测试）

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9. 单向循环链表代码清单

#节点实现
class Node(object):
    def __init__(self,elem):
        self.elem = elem
        #初始状态next指向None
        self.next = None

#定义单向循环链表
class SingleCycleLinkList(object):
    """单向循环链表"""
    def __init__(self,node=None):
        #这里定义的头节点相当于头指针指向第一个节点
        self.__head = node
        if node:
            node.next = node

    def is_empty(self):
        #判断链表是都为空
        return self.__head == None

    def length(self):
        """链表长度"""
        if self.is_empty():
            return  0
        #cur游标遍历节点,与头指针一样指向头节点
        cur = self.__head
        #记录节点数量
        count = 1
        while cur.next != self.__head:
            count += 1
            cur = cur.next
        return count

    def traval(self):
        """遍历整个链表"""
        if self.is_empty():
            return
        cur = self.__head
        while cur.next!= self.__head:
            print(cur.elem,end=' ')
            cur = cur.next
        #退出循环，cur指向尾结点，但是尾节点的元素未打印
        print(cur.elem)

    #头插法
    def add(self,item):
        """在头部添加元素（头插法）"""
        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            self.__head = node
            node.next = node
        else:
            # node.next = self.__head
            cur = self.__head
            #退出循环之后cur指向的就是尾结点
            while cur.next != self.__head :
                cur = cur.next
            node.next = self.__head
            cur.next = node
            self.__head = node

    #尾插法
    def append(self,item):
        """在链表尾部添加（尾插法）"""
        #先将传入的数据构造成节点
        node  = Node(item)
        if self.is_empty():
            #如果为空，则直接将node作为头节点加入
            self.__head = node
            node.next = node
        else:
            cur = self.__head
            while cur.next != self.__head:
                cur = cur.next
            cur.next= node
            node.next = self.__head

    def insert(self,pos,item):
        """在指定位置添加元素
        :param index 从0开始
        """
        #构建pre指针，也指向头节点
        if pos < 0:
            self.add(item)
        elif pos > linkList.length()-1:
            self.append(item)
        else:
            pre = self.__head
            count = 0
            while count < (pos-1):
                count+=1
                pre = pre.next
            #循环推出后，pre指向pos-1的位置
            node = Node(item)
            node.next = pre.next
            pre.next = node

#这个方法改写代码较多，请着重查看
    def remove(self,item):
        """删除节点"""
        if self.__head == None:
            return
        cur = self.__head
        #判断该链表是否只有一个结点
        #若只有一个结点
        if cur.next == self.__head:
            #若该结点元素等于item，则删除该节结点
            if cur.elem == item:
                self.__head = None
                return
            #否则该链表没有与此元素相等的结点，直接返回
            return
        pre = None
        while cur.next != self.__head:
            if cur.elem == item:
                #先判断此节点是否为头节点
                if cur == self.__head:
                    #头节点情况
                    #寻找尾结点
                    rear = self.__head
                    while rear.next != self.__head:
                        rear = rear.next
                    self.__head = cur.next
                    rear.next = self.__head
                else:
                    #中间结点删除
                    pre.next = cur.next
                return
            else:
                pre = cur
                cur = cur.next
        #尾部节点
        if cur.elem == item:
             pre.next = cur.next

    def search(self,item):
        """查找节点是否存在"""
        if self.is_empty():
            return False
        cur = self.__head
        while cur.next != self.__head:
            if cur.elem == item:
                return True
            else:
                cur = cur.next
        if cur.elem ==item:
            return True
        return  False

10. 其他扩展

双向链表可扩展至双向循环链表，此处时间不够，待日后补上