sandag 

在本博客中，我们介绍 单链表 这种数据结构，链表结构为基于数组的序列提供了另一种选择（例如Python列表）。

基于数组的序列也会有如下缺点：

一个动态数组的长度可能超过实际存储数组元素所需的长度

在实时系统中对操作的摊销边界是不可接受的

在一个数组内部执行插入和删除操作的代价太高

基于数组的序列和链表都能够对其中的元素保持一定的顺序，但采用的方式截然不同。

数组是采用一整块的内存，能够为许多元素提供存储和引用。

链表则是用更为分散的结构，采用称为 节点 的轻量级对象，分配给每一个元素。每个节点维护一个指向它的元素的引用，并含一个或多个指向相邻节点的引用。

链式结构

什么是线性表的链式存储，即采用一组任意的存储单元存放线性表的元素，这组存储元素可以是连续的，也可以是不连续的。连续的我们当然好理解，那如果不连续呢？就可以通过一条链来连接，什么是链？最直观的感受如下图：

我们知道，C语言中有指针，指针通过地址来找到它的目标。如此说来，一个节点不仅仅有它的元素，还需要有一个它的下一个元素的地址。这两部分构成的存储结构称为节点（node），即节点包含两个域：数据域和指针域，结构的结构图如下：

Python中的引用

那么，这里需要指针和地址，我们在学习基础的时候没听说Python有C或C++中的指针啊，Python中指针是什么？我们先把这个概念放一放，一提到指针可能初学C和C++的人都害怕（本人也害怕），先来理解一下Python里面变量的本质。

>>> a = 100

>>> b = 100

>>> id(a)

4343720720

>>> id(b)

4343720720

>>>

>>> a, b = 10, 20

>>> id(a)

4343717840

>>> id(b)

4343718160

>>> a, b = b, a

>>> id(a)

4343718160

>>> id(b)

4343717840

>>>

当声明 a = 100 和 b = 100 的时候，能发现 id(a) == id(b) ，为什么a和b的id值是一样的呢？我们来看一下这个图：

我们利用上图来打一个比喻，可能不是很准确但方便我们进行理解。如果计算机被当成是一栋楼，那么内存空间就相当楼中的每个房间，内存地址就是这个房间的门牌号，这个房间内可以存储数据（比如数字100，数字10或者其他类型）。

假如有一天，来了个要租房的小a，小a说：“我看中了门牌号为（内存地址4343720720）的这个房间”，并且放心的租用了这个房，所以 a = 100。小a就住在了这个房间里，当我们查询 id(a) 的时候，计算机就返回给我们这个房间的门牌号（也就是内存地址4343720720）。 同理，小b也看中了这个房子，并且也放心的住了下来。而且因为房间里存储的数据都是100，即使虽然a和b的名字不同，但他们住同一房间，所以内存地址就相同。

当声明 a = 10 和 b = 20 的时候，情况发生了改变，这个过程其实也好理解，就是相当于小a和小b分别看中了不同的房间（小a看中的是门牌号4343717840的房间，小b看中的是门牌号4343718160），当他们住下来后，这个房间存着不同数据（a=10, b=20）。当他们进行交换的时候 a, b = b, a ，就相当于交换了房间，但是房间里的数据是没有变。最后 a=20, b =10 ，因为内存地址4343717840存的数字就是10，4343718160存的数字是20。

本来是要介绍单链表的，为什么讲到Python中的引用呢？因为我们要介绍的单链表这一数据结构就要利用到 对象的引用 这一概念。变量本身就存储的一个地址，交换他们的值就是把自己的指向更改。Python中没有指针，所以实际编程一般用引用来代替。这里对Python引用的介绍不是很详细，如果读者还是不明白，可以通过其他的资料进行深入了解。

节点定义与Python代码实现

节点，用于构建单链表的一部分，有两个成员：元素成员、指针域成员。

元素成员：引用一个任意的对象，该对象是序列中的一个元素，下图中的a1、a2、...、an

指针域成员：指向单链表的后继节点，如果没有后继节点，则为空。

熟悉完链式结构，我们就能很好的写出节点的Python代码了。

class Node(object):

"""声明节点"""

def __init__(self, element):

self.element = element # 给定一个元素

self.next = None # 初始设置下一节点为空

那么，什么是单链表

单链表最简单的形式就是由多个节点的集合共同构成一个线性序列。每个节点存储一个对象的引用，这个引用指向序列中的一个元素，即存储指向列表的下一个节点。

单链表是一种链式存取的数据结构，用一组地址任意的 存储单元 存放线性表中的 数据元素 。链表中的数据是以结点来表示的，每个结点的构成：元素( 数据元素 的映象) + 指针 (指示后继元素存储位置)，元素就是存储数据的存储单元，指针就是连接每个结点的地址数据。

其实，上面的术语用生活中的大白话来解释，就是我们现在有三个人——我、你、他。当我用手指指向你（注意：因为是单链表，所以你不能指向我），你用手指指向他，这样就形成了一个单链表。手指就是一个引用，而“我、你、他”就是序列中的元素。“我->你->他”方式就是一个简单单链表，不知道你理解了没有？

头结点：链表的第一个节点

尾节点：链表的最后一个节点从头节点开始，通过每个节点的**“next”**引用，可以从一个节点移动到另一个节点，从而最终到达列表的尾节点。若当前节点的**“next”**引用指向空时，我们可以确定该节点为尾节点。这一过程，我们通常叫做 遍历链表 。

单链表有哪些操作

链表的操作并不是很难，只要明白节点的结构：数据域element和指针域next。而各种操作其实就是对指针的操作，不论是增删改查，都是先找指针，再取元素。具体有哪些基础操作是我实现的呢？如下（当然，还有更多的操作可能使我没想到的，希望你能在评论中提出来。）

增

头插法

尾插法

指定位置将元素插入

删

删除头结点

删除尾节点

删除指定元素

改

修改指定位置上的元素

查

遍历整个单链表

查询指定元素是否存在

其他操作

链表判空

求链表长度

反转整个链表（面试高频考点）

Python实现单链表的上述操作

# -*- coding: utf-8 -*-

# @Time : 2019-10-30 15:50

# @Author : yuzhou_1su

# @ContactMe : https://blog.csdn.net/yuzhou_1shu

# @File : singly_linked_list.py

# @Software : PyCharm

class Node(object):

"""声明节点"""

def __init__(self, element):

self.element = element # 给定一个元素

self.next = None # 初始设置下一节点为空

class Singly_linked_list:

"""Python实现单链表"""

def __init__(self):

self.__head = None # head设置为私有属性，禁止外部访问

def is_empty(self):

"""判断链表是否为空"""

return self.__head is None

def length(self):

"""返回链表长度"""

cur = self.__head # cur游标，用来移动遍历节点

count = 0 # count记录节点数量

while cur is not None:

count += 1

cur = cur.next

return count

def travel_list(self):

"""遍历整个链表，打印每个节点的数据"""

cur = self.__head

while cur is not None:

print(cur.element, end=" ")

cur = cur.next

print("\n")

def insert_head(self, element):

"""头插法：在单链表头部插入一个节点"""

newest = Node(element) # 创建一个新节点

if self.__head is not None: # 如果初始不为空，就将新节点的"next"指针指向head

newest.next = self.__head

self.__head = newest # 把新节点设置为head

def insert_tail(self, element):

"""尾插法：在单链表尾部增加一个节点"""

if self.__head is None:

self.insert_head(element) # 如果这是第一个节点，调用insert_head函数

else:

cur = self.__head

while cur.next is not None: # 遍历到最后一个节点

cur = cur.next

cur.next = Node(element) # 创建新节点并连接到最后

def insert(self, pos, element):

"""指定位置插入元素"""

# 如果位置在0或者之前，调用头插法

if pos < 0:

self.insert_head(element)

# 如果位置在原链表长度之后，调用尾插法

elif pos > self.length() - 1:

self.insert_tail(element)

else:

cur = self.__head

count = 0

while count < pos - 1:

count += 1

cur = cur.next

newest = Node(element)

newest.next = cur.next

cur.next = newest

def delete_head(self):

"""删除头结点"""

cur = self.__head

if self.__head is not None:

self.__head = self.__head.next

cur.next = None

return cur

def delete_tail(self):

"""删除尾节点"""

cur = self.__head

if self.__head is not None:

if self.__head.next is None: # 如果头结点是唯一的节点

self.__head = None

else:

while cur.next.next is not None:

cur = cur.next

cur.next, cur = (None, cur.next)

return cur

def remove(self, element):

"""删除指定元素"""

cur, prev = self.__head, None

while cur is not None:

if cur.element == element:

if cur == self.__head: # 如果该节点是头结点

self.__head = cur.next

else:

prev.next = cur.next

break

else:

prev, cur = cur, cur.next

return cur.element

def modify(self, pos, element):

"""修改指定位置的元素"""

cur = self.__head

if pos < 0 or pos > self.length():

return False

for i in range(pos - 1):

cur = cur.next

cur.element = element

return cur

def search(self, element):

"""查找节点是否存在"""

cur = self.__head

while cur:

if cur.element == element:

return True

else:

cur = cur.next

return False

def reverse_list(self):

"""反转整个链表"""

cur, prev = self.__head, None

while cur:

cur.next, prev, cur = prev, cur, cur.next

self.__head = prev

def main():

List1 = Singly_linked_list()

print("链表是否为空", List1.is_empty())

List1.insert_head(1)

List1.insert_head(2)

List1.insert_tail(3)

List1.insert_tail(4)

List1.insert_tail(5)

length_of_list1 = List1.length()

print("插入节点后，List1 的长度为：", length_of_list1)

print("遍历并打印整个链表: ")

List1.travel_list()

print("反转整个链表: ")

List1.reverse_list()

List1.travel_list()

print("删除头节点: ")

List1.delete_head()

List1.travel_list()

print("删除尾节点: ")

List1.delete_tail()

List1.travel_list()

print("在第二个位置插入5: ")

List1.insert(1, 5)

List1.travel_list()

print("在第-1个位置插入100：")

List1.insert(-1, 100)

List1.travel_list()

print("在第100个位置插入2：")

List1.insert(100, 2)

List1.travel_list()

print("删除元素5：")

print(List1.remove(5))

List1.travel_list()

print("修改第5个位置的元素为7: ")

List1.modify(5, 7)

List1.travel_list()

print("查找元素1:")

print(List1.search(1))

if __name__ == "__main__":

main()

输出的测试结果

链表是否为空 True

插入节点后，List1 的长度为： 5

遍历并打印整个链表:

2 1 3 4 5

反转整个链表:

5 4 3 1 2

删除头节点:

4 3 1 2

删除尾节点:

4 3 1

在第二个位置插入5:

4 5 3 1

在第-1个位置插入100：

100 4 5 3 1

在第100个位置插入2：

100 4 5 3 1 2

删除元素5：

5

100 4 3 1 2

修改第5个位置的元素为7:

100 4 3 1 7

查找元素1:

True

总结

在我们对这些基础操作熟练之后，我推荐的学习方法就是对网上（比如LeetCode）上与单链表相关的习题进行练习。具体有哪些好的习题呢？等后面写博客找一些经典的题并把思路写出来，如果你找到了好的题欢迎分享给我，一起学习探讨。