python實作·資料結構與算法之雙向連結清單

雙向連結清單定義

雙向連結清單(Double Linked List)是一種更複雜的連結清單，每個節點除了包含元素域，還包含兩個連結：一個指向前一個節點，當此節點為第一個節點時，指向空值；另一個指向下一個節點，當此節點為最後一個節點時，指向空值。

節點示意圖

• 表元素域

  elem

  用來存放具體的資料。
• 連結域

  prev

  用來存放上一個節點的位置（python中的辨別）
• 連結域

  next

  用來存放下一個節點的位置（python中的辨別）

雙向連結清單示意圖

雙向連結清單的基本操作

• is_empty()

  判斷連結清單是否為空

• length

  連結清單長度

• travel()

  周遊整個連結清單，列印元素

• add(item)

  在連結清單頭部添加元素

• append(item)

  在連結清單尾部添加元素

• insert(pos, item)

  在指定位置插入元素

• remove(item)

  删除元素

• clear()

  清空連結清單

• is_contain(item)

  判斷元素是否存在

Python 代碼實作

# 節點代碼實作

class Node(object):
    """雙向連結清單節點"""
    def __init__(self, item):
        self.item = item
        self.next = None
        self.prev = None
           

# 雙向連結清單代碼實作

class DoubleLinkList(object):
    """雙向連結清單"""
    def __init__(self):
        self._head = None

    def is_empty(self):
        """判斷連結清單是否為空"""
        return self._head is None

    @property
    def length(self):
        """傳回連結清單的長度"""
        cur = self._head
        count = 0
        while cur is not None :
            count += 1
            cur = cur.next
        return count

    def travel(self):
        """周遊連結清單"""
        cur = self._head
        while cur is not None:
            print(cur.item)
            cur = cur.next
        print("")

    def add(self, item):
        """頭部插入元素"""
        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            # 如果是空連結清單，将_head指向node
            self._head = node
        else:
            # 将node的next指向_head的頭節點
            node.next = self._head
            # 将_head的頭節點的prev指向node
            self._head.prev = node
            # 将_head 指向node
            self._head = node

    def append(self, item):
        """尾部插入元素"""
        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            # 如果是空連結清單，将_head指向node
            self._head = node
        else:
            # 移動到連結清單尾部
            cur = self._head
            while cur.next is not None:
                cur = cur.next
            # 将尾節點cur的next指向node
            cur.next = node
            # 将node的prev指向cur
            node.prev = cur

    def is_contain(self, item):
        """查找元素是否存在"""
        cur = self._head
        while cur is not None:
            if cur.item == item:
                return True
            cur = cur.next
        return False
    
    def insert(self, pos, item):
        """在指定位置添加節點"""
        if pos <= 0:
            self.add(item)
        elif pos > (self.length-1):
            self.append(item)
        else:
            node = Node(item)
            cur = self._head
            count = 0
            # 移動到指定位置的前一個位置
            while count < (pos-1):
                count += 1
                cur = cur.next
            # 将node的prev指向cur
            node.prev = cur
            # 将node的next指向cur的下一個節點
            node.next = cur.next
            # 将cur的下一個節點的prev指向node
            cur.next.prev = node
            # 将cur的next指向node
            cur.next = node
              
    def remove(self, item):
        """删除元素"""
        if self.is_empty():
            return
        else:
            cur = self._head
            if cur.item == item:
                # 如果首節點的元素即是要删除的元素
                if cur.next is None:
                    # 如果連結清單隻有這一個節點
                    self._head = None
                else:
                    # 将第二個節點的prev設定為None
                    cur.next.prev = None
                    # 将_head指向第二個節點
                    self._head = cur.next
                return
            while cur is not None:
                if cur.item == item:
                    # 将cur的前一個節點的next指向cur的後一個節點
                    cur.prev.next = cur.next
                    # 将cur的後一個節點的prev指向cur的前一個節點
                    cur.next.prev = cur.prev
                    break
                cur = cur.next
                
    def clear(self):
        """清空連結清單"""
        self._head = None
    
    def __len__(self):
        """可以用len()方法擷取連結清單長度"""
        return self.length
    
    def __iter__(self):
        """可以使用循環周遊連結清單"""
        cur = self._head
        while cur is not None:
            value = cur.item
            cur = cur.next
            yield value
            
    def __contains__(self, item):
        """可以用in判斷元素是否在連結清單中"""
        cur = self._head
        while cur is not None:
            if cur.item == item:
                return True
            cur = cur.next
        return False
           

# 測試資料

if __name__ == "__main__":
    print("------建立連結清單------")
    dl_list = DoubleLinkList()
    dl_list.add(1)
    dl_list.add(2)
    dl_list.append(3)
    dl_list.insert(2, 4)
    dl_list.insert(4, 5)
    dl_list.insert(0, 6)
    print("length:",len(dl_list))
    dl_list.travel()
    print(dl_list.is_contain(3))
    print(dl_list.is_contain(8))
    print(3 in dl_list)
    print(8 in dl_list)
    dl_list.remove(1)
    print("length:",len(dl_list))
    dl_list.travel()
    print("------循環周遊------")
    for i in dl_list:
        print(i)
           

# 輸出結果

------建立連結清單------
length: 6
6
2
1
4
3
5

True
False
True
False
length: 5
6
2
4
3
5

------循環周遊------
6
2
4
3
5
           

算法分析

操作	複雜度
通路元素	O ( n ) O(n) O(n)
在頭部插入/删除	O ( 1 ) O(1) O(1)
在尾部插入/删除	O ( n ) O(n) O(n)
在中間插入/删除	O ( n ) O(n) O(n)

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