C++和python如何实现单链表

这篇文章给大家分享的是有关C++和python如何实现单链表的内容。小编觉得挺实用的，因此分享给大家做个参考，一起跟随小编过来看看吧。

一、链表的基本概念

链表是数据元素的线性集合（Linear Collection），物理存储不连续。那么，这种设计的优点是什么？缺点又是什么？

链表的基本结构：

链表是由一系列的"节点"组成在一起的集合，节点（Node）由数据域（data）和指针域（next）组成。

从功能上看，data负责存储数据，next负责存储下一个节点的位置。当然，用更加严格的语句来讲，next存储的是其直接后继的地址，关于直接后继的定义见：

链表的分类：

常见的链表种类有：单向链表、双向链表、单向循环链表、双向循环链表，将会在后面文章中单独介绍各种链表的结构和代码实现，以及对应的链表操作。

链表的基本操作：

链表的基础操作包含：插入、删除、查找、合并等，此外还有：反转、排序、深度复制等。

链表的优点：

• 插入和删除快；

• 存储空间不受限制，可动态申请扩充，不需事先开辟内存；

链表的缺点：

• 相比于数组，链表的需要更多的存储空间（需存储指针）；

• 存储不连续导致其访问时间长；

• 从反向访问角度，单向链表难以反向访问，扩展为双向链表则需要额外存储反向指针；

• 每次节点访问都需要从头部开始；

二、单链表

基本结构：

单链表的结构含有四个概念：头指针、头结点、普通Node、尾结点，下面分别介绍：

• 头指针指向头结点，是单链表的表示，必不可少；

• 头结点是单链表的第一个节点，其数据域内容一般无效；

• 普通Node即用于数据存储和直接后继指针存储的节点；

• 尾结点即链表中最后一个节点，其指针域next为空，其后无节点；

单链表的基本操作：

针对单链表常见的操作有：增、改、查、删等，

常用的操作如下：

（1）增

对链表添加元素一般有三种方法：头插法(add)、尾插法(append)、任意位置插入法(insert)。

（2）改

改动链表中某个节点的data。

（3）查

查找分为按值查找和按位置查找两种，前者表示按照值查找对应位置，后者表示按位置查找对应值；

（4）删

删除分为按值删除和按位置删除两种；前者表示按照值删除对应节点，后者表示按照位置删除对应节点；

实现说明：

按照自己目前所看的资料，一般都会实现下面介绍的这些函数，具体介绍放在python和C++实现中。

1.python实现

（1）节点设计

按照单链表的定义可知，节点包含数据域data和指针域next：

但是由于next和python的内置函数next()重名，所以指针域使用pointer表示。

代码如下：

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

（2）链表类：Single_Linked_List

上述Node类对象即为链表的基本组成结构，可以用于实现头结点、普通节点和尾结点。

因此，链表类只需要提供头指针：

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

（3）判断链表是否为空：is_empty()函数

实际上，只需要判断头指针是否指向Node类对象（或是否等于None），就可判断一个链表是否为空：

def is_empty(self):    """判断链表是否为空"""    if self.__head == None:        return True    else:        return False

（4）头插法：add()函数

在链表头进行节点插入是很常见的插入操作，这种方式使得"先插入的节点在链表尾部"。头插法需要将头指针指向新的节点，并让新的节点指向原来的头结点：

def add(self, data):    """Add dnode into head    """     # 创建新节点    node = Node(data)    # 令新的节点指向原来的头结点    node.pointer = self.__head    # 令头指针指向新的节点    self.__head = node

（5）尾插法：append()函数

如果想要链表节点次序和插入次序相同，就需要使用尾插法。在插入之前需要判断链表是否为空，如果不为空才能进行插入（可以调用前面定义的is_empty()函数，但是下述代码没有）。

此外，还需要进行链表的遍历操作，找到最后一个节点。单链表只能从表头开始访问，所以每次尾插都必须遍历。

def append(self, data):    """ append node into tail    """    node = Node(data)        # 头指针为空时即为首节点    if self.__head == None:        self.__head = node    # 头指针不为空时进行遍历    else:        current = self.__head        while current.pointer != None:            current = current.pointer        current.pointer = node

（6）在任意位置插入：insert()函数

前面介绍的头插法和尾插法，其原理相对简单，但是并不能完全满足插入需求。如果知道目标插入的位置，可以采用insert()函数实现任意位置的节点插入。

需要注意的是，在实现insert()函数时必须考虑到"position"参数可能出现的几种情况。比如python中并没有明确的类型要求，所以要检查"position"是不是int类型。

对于核心的节点插入实现功能，需要找到目标插入位置对应的节点，并使得这个节点指向新节点，让新节点指向原位置节点的后一个节点。这个过程类似于铁链中加入铁环的过程，要保证新铁环和原来的两个铁环相连接。

def insert(self, position, data):    """在任意位置插入节点    Args:        position:插入节点的位置,int        data:插入节点的值    """        if not isinstance(position, int):        raise ValueError("expect type is 'int', but got {}".format(position.__class__))        # 头插法    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：计算出插入位置        while current_position < position -1:            current_position += 1            current = current.pointer        # 首先：必须使得当前节点的pointer指针指向新建的node        # 其次：必须保证新建的node的pointer指向当前节点的后一个节点        node.pointer = current.pointer        current.pointer = node

（7）计算链表长度：get_length()函数

对于调用者和类内部的其它函数来做，链表长度是一个非常有用的值。比如在插入函数insert()中，需要判断插入位置是不是大于链表长度。

计算链表长度的实现比较简单，只需要遍历链表的所有节点，并用计数器来统计节点的数目即可。

def get_length(self):    """ 获取链表的长度"""    # 没有任何node    if self.__head == None:        return 0    # 节点数统计    else:        current = self.__head        length = 0        while current != None:            current = current.pointer            length += 1        return length

（8）遍历所有节点：traversal()函数

链表、树、图等结构都需要遍历操作，其中链表的遍历比较简单，只需要依次的访问所有节点即可。

def traversal(self):    current = self.__head    i = 0    # 循环结束的条件依旧是节点的pointer指向不为空    while current !=  None:        print("Element {} is {} ".format(i, current.data))        current = current.pointer        i += 1

（9）搜索：search()函数

前面提到搜索有按值搜索和按位置搜索两种，它们的原理和实现都十分相似，所以仅以按值搜索为例。

需要注意的是，insert()函数需要判断链表是否为空，并且需要考虑到目标值不在链表中的情况，分别对应不同的返回值。

def search(self, data):    """ 返回值为data的第一个节点"""    if self.__head == None:        return -1    else:        current = self.__head        current_position = 0        # 遍历节点        while current != None:            # 目标值搜索成功            if current.data == data:                return current_position            # 目标值搜索不到则继续搜索                   else:                current_position += 1                current = current.pointer    # 目标值不存在于链表中             return False

（10）删除：delete()函数

上述的查找中以"按值查找"为例，这次删除中同样以"按值删除"为例，"按位置删除"的实现与之类似。

按值删除，即删除目标值对应的目标节点。在进行遍历时，需要记录当前节点和当前节点的前一个节点。因为，一旦查找大目标值所在的目标节点，需要令目标节点的前一个节点指向目标节点的下一个节点，即完成节点的删除。

def delete(self, data):    """ 删除值为data的第一个节点"""    if self.is_empty():        return None        # 记录当前节点和前一个节点    current = self.__head    piror = None    while current != None:        # 查找成功分为两种情况        if current.data == data:            # 目标节点为头结点            if current == self.__head:                self.__head = self.__head.pointer                return True             # 目标节点不是头结点             # 令目标节点的前一个节点指向目标节点的后一个节点               else:                piror.pointer = current.pointer                return True         # 更新当前节点和前一个节点         else:            piror = current            current = current.pointer    return False

2.C++实现

前面的python实现中已经分析了各个函数的作用，以及对应的实现过程。虽然python和C++的语法不同，但是核心过程是类似的，所以下面不再重复对过程的叙述。

（1）节点设计

由于C++的指针必须指定类型，所以需要使用空指针NULL作为pointer的值。

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

（2）链表类：SingleLinkedList

遵循声明和实现分类的策略，先对各个函数进行声明。

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）判断链表是否为空：isEmpty()函数

bool SingleLinkedList::isEmpty() {    // 头结点不指向任何结点，为空    if (head->pointer == NULL) {        return true;    }    else {        return false;    }}

（4）头插法：add()函数

void SingleLinkedList::add(int data) {    // 当原列表仅有头结点时，直接插入新节点即可    if (head->pointer == NULL) {        head->pointer = new Node;        head->pointer->data = data;            }    // 当原列表头结点后面含有后继节点时    // 令头结点直接后继为新节点    // 并令新节点的直接后继为原来头结点的直接后继    else {        // 临时存储头结点的直接后继        Node *temp = head->pointer;        head->pointer = new Node;        head->pointer->data = data;        head->pointer->pointer = temp;    }}

（5）尾插法：append()函数

void SingleLinkedList::append(int data) {    Node *current = head->pointer;    // 找到列表的最后一个节点的位置current    // current的指针域为NULL    while (current->pointer!=NULL)    {        current = current->pointer;    }    // 令current的指针域指向新节点，完成插入    current->pointer = new Node;    current->pointer->data = data;}

（6）在任意位置插入：insert()函数

void SingleLinkedList::insert(int position, int data) {    // 头插法    if (position <= 0) {        add(data);    }    // 尾插法    else if (position > getLength()){        append(data);    }    else {        // 令头指针所在的位置为0        int current_position = 0;        Node *current = head;        Node *prior = NULL;        // 查找目标节点位置current，并记录其直接前驱节点piror        while (current_positionpointer;            current_position++;        }        // 目标位置的直接前驱prior指向新节点        // 新节点指向目标位置的节点        prior->pointer = new Node;        prior->pointer->data = data;        prior->pointer->pointer = current;    }};

（7）计算链表长度：getLength()函数

int SingleLinkedList::getLength() {    int counter = 0;    Node *current = head;    // 遍历链表，直到最后一个元素    while (current->pointer!=NULL)    {        counter++;        current = current->pointer;    }    return counter;}

（8）遍历所有节点：traversal()函数

void SingleLinkedList::traversal() {    Node *current;    // 指向头结点的直接后继    current = head->pointer;    int counter = 1;    // 遍历链表，输出每个节点的值    while (current!=NULL)    {        printf("Element in %d is %d \n", counter, current->data);        counter++;        current = current->pointer;    }}

（9）搜索：search()函数

int SingleLinkedList::search(int data) {    int current_position = 1;    Node *current = head->pointer;    while (current!=NULL)    {        // 搜索成功返回当前位置        if (current->data == data) {            return current_position;        }        // 继续更新位置；        current = current->pointer;        current_position++;    }    // 搜索失败，返回-1    return -1;}

（10）删除：remove()函数

void SingleLinkedList::remove(int data) {    Node *current = head->pointer;    Node *prior = head;    // 遍历链表    while (current!=NULL)    {        // 查找到目标位置        if (current->data == data) {            // 令目标位置的直接前驱指向目标节点的直接后继            prior->pointer = current->pointer;            break;        }        // 更新当前节点和其前驱节点        prior = current;        current = current->pointer;    }}

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