用最容易的方式學會單鏈表（Python實現）
單鏈表與陣列
在本部落格中，我們介紹單鏈表這種資料結構，連結串列結構為基於陣列的序列提供了另一種選擇（例如Python列表）。
基於陣列的序列也會有如下缺點：
- 一個動態陣列的長度可能超過實際儲存陣列元素所需的長度
- 在實時系統中對操作的攤銷邊界是不可接受的
- 在一個數組內部執行插入和刪除操作的代價太高
基於陣列的序列和連結串列都能夠對其中的元素保持一定的順序，但採用的方式截然不同。
- 陣列是採用一整塊的記憶體，能夠為許多元素提供儲存和引用。
- 連結串列則是用更為分散的結構，採用稱為節點的輕量級物件，分配給每一個元素。每個節點維護一個指向它的元素的引用，並含一個或多個指向相鄰節點的引用。
鏈式結構
什麼是線性表的鏈式儲存，即採用一組任意的儲存單元存放線性表的元素，這組儲存元素可以是連續的，也可以是不連續的。連續的我們當然好理解，那如果不連續呢？就可以通過一條鏈來連線，什麼是鏈？最直觀的感受如下圖：
我們知道，C語言中有指標，指標通過地址來找到它的目標。如此說來，一個節點不僅僅有它的元素，還需要有一個它的下一個元素的地址。這兩部分構成的儲存結構稱為節點（node），即節點包含兩個域：資料域和指標域，結構的結構圖如下：
Python中的引用
那麼，這裡需要指標和地址，我們在學習基礎的時候沒聽說Python有C或C++中的指標啊，Python中指標是什麼？我們先把這個概念放一放，一提到指標可能初學C和C++的人都害怕（本人也害怕），先來理解一下Python裡面變數的本質。
>>> a = 100
>>> b = 100
>>> id(a)
4343720720
>>> id(b)
4343720720
>>>我們能看到id(a) == id(b)，為什麼a和b的ID是一樣的呢？我們來看一下這個圖：
我們利用上圖來打一個比喻，可能不是很準確方便我們進行理解。如果計算機中當成是一棟房屋，那麼記憶體地址（4343720720）就應該是其中的一個房子，這個房子可以儲存資料（100，也可以存10），而房名就是變數名（a、b）。房子被小a買走了（利用起來），小a就指向這個房子，同理，小b也指向這個房子。房子裡儲存的資料都是100，所以雖然a和b的名字不同，但他們住同一房子。
我們再來看一下下面這個程式碼：
>>> a, b = 10, 20
>>> id(a)
4343717840
>>> id(b)
4343718160
>>> a, b = b, a
>>> id(a)
4343718160
>>> id(b)
4343717840
>>>
是不是也非常好理解了，小a和小b買了不同的房子（4343717840和4343718160），存著不同的資料（a=10, b=20）。最後他們交換了房子，同時交換了房裡的資料。
變數本身就儲存的一個地址，交換他們的值就是把自己的指向更改。Python中沒有指標，所以實際程式設計一般用引用來代替。這裡對Python引用的介紹不是很詳細，如果讀者還是不明白，可以通過其他的資料進行深入瞭解。
節點定義與Python程式碼實現
節點，用於構建單鏈表的一部分，有兩個成員：元素成員、指標域成員。
元素成員：引用一個任意的物件，該物件是序列中的一個元素，下圖中的a1、a2、...、an
指標域成員：指向單鏈表的後繼節點，如果沒有後繼節點，則為空
熟悉完鏈式結構，我們就能很好的寫出節點的Python程式碼了。
class Node(object):
"""宣告節點"""
def __init__(self, element):
self.element = element # 給定一個元素
self.next = None # 初始設定下一節點為空那麼，什麼是單鏈表
單鏈表 最簡單的形式就是由多個節點的集合共同構成一個線性序列。每個節點儲存一個物件的引用，這個引用指向序列中的一個元素，即儲存指向列表的下一個節點。
單鏈表是一種鏈式存取的資料結構，用一組地址任意的儲存單元存放線性表中的資料元素。連結串列中的資料是以結點來表示的，每個結點的構成：元素(資料元素的映象) + 指標(指示後繼元素儲存位置)，元素就是儲存資料的儲存單元，指標就是連線每個結點的地址資料。
其實，上面的術語用生活中的大白話來解釋，就是我們現在有三個人——我、你、他。當我用手指指向你（注意：因為是單鏈表，所以你不能指向我），你用手指指向他，這樣就形成了一個單鏈表。手指就是一個引用，而“我、你、他”就是序列中的元素。“我->你->他”方式就是一個簡單單鏈表，不知道你理解了沒有？
頭結點：連結串列的第一個節點
尾節點：連結串列的最後一個節點
從頭節點開始，通過每個節點的“next”引用，可以從一個節點移動到另一個節點，從而最終到達列表的尾節點。
若當前節點的“next”引用指向空時，我們可以確定該節點為尾節點。這一過程，我們通過叫做
遍歷連結串列。
單鏈表有哪些操作
連結串列的操作並不是很難，只要明白節點的結構：資料域element和指標域next。而各種操作其實就是對指標的操作，不論是增刪改查，都是先找指標，再取元素。具體有哪些基礎操作是我實現的呢？如下（當然，還有更多的操作可能使我沒想到的，希望你能在評論中提出來。）
增
- 頭插法
- 尾插法
- 指定位置將元素插入
刪
- 刪除頭結點
- 刪除尾節點
- 刪除指定元素
改
- 修改指定位置上的元素
查
遍歷整個單鏈表
查詢指定元素是否存在
其他操作
- 連結串列判空
- 求連結串列長度
- 反轉整個連結串列（面試高頻考點）
Python實現單鏈表的上述操作
# -*- 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):
"""宣告節點"""
def __init__(self, element):
self.element = element # 給定一個元素
self.next = None # 初始設定下一節點為空
class Singly_linked_list:
"""Python實現單鏈表"""
def __init__(self):
self.__head = None # head設定為私有屬性，禁止外部訪問
def is_empty(self):
"""判斷連結串列是否為空"""
return self.__head is None
def length(self):
"""返回連結串列長度"""
cur = self.__head # cur遊標，用來移動遍歷節點
count = 0 # count記錄節點數量
while cur is not None:
count += 1
cur = cur.next
return count
def travel_list(self):
"""遍歷整個連結串列，列印每個節點的資料"""
cur = self.__head
while cur is not None:
print(cur.element, end=" ")
cur = cur.next
print("\n")
def insert_head(self, element):
"""頭插法：在單鏈表頭部插入一個節點"""
newest = Node(element) # 建立一個新節點
if self.__head is not None: # 如果初始不為空，就將新節點的"next"指標指向head
newest.next = self.__head
self.__head = newest # 把新節點設定為head
def insert_tail(self, element):
"""尾插法：在單鏈表尾部增加一個節點"""
if self.__head is None:
self.insert_head(element) # 如果這是第一個節點，呼叫insert_head函式
else:
cur = self.__head
while cur.next is not None: # 遍歷到最後一個節點
cur = cur.next
cur.next = Node(element) # 建立新節點並連線到最後
def insert(self, pos, element):
"""指定位置插入元素"""
# 如果位置在0或者之前，呼叫頭插法
if pos < 0:
self.insert_head(element)
# 如果位置在原連結串列長度之後，呼叫尾插法
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):
"""刪除頭結點"""
cur = self.__head
if self.__head != Node:
self.__head = self.__head.next
cur.next = None
return cur
def delete_tail(self):
"""刪除尾節點"""
cur = self.__head
if self.__head is not None:
if self.__head.next is None: # 如果頭結點是唯一的節點
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):
"""刪除指定元素"""
cur, prev = self.__head, None
while cur is not None:
if cur.element == element:
if cur == self.__head: # 如果該節點是頭結點
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):
"""查詢節點是否存在"""
cur = self.__head
while cur:
if cur.element == element:
return True
else:
cur = cur.next
return False
def reverse_list(self):
"""反轉整個連結串列"""
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("連結串列是否為空", 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("插入節點後，List1 的長度為：", length_of_list1)
print("遍歷並列印整個連結串列: ")
List1.travel_list()
print("反轉整個連結串列: ")
List1.reverse_list()
List1.travel_list()
print("刪除頭節點: ")
List1.delete_head()
List1.travel_list()
print("刪除尾節點: ")
List1.delete_tail()
List1.travel_list()
print("在第二個位置插入5: ")
List1.insert(1, 5)
List1.travel_list()
print("在第-1個位置插入100：")
List1.insert(-1, 100)
List1.travel_list()
print("在第100個位置插入2：")
List1.insert(100, 2)
List1.travel_list()
print("刪除元素5：")
print(List1.remove(5))
List1.travel_list()
print("修改第5個位置的元素為7: ")
List1.modify(5, 7)
List1.travel_list()
print("查詢元素1:")
print(List1.search(1))
if __name__ == "__main__":
main()
輸出的測試結果
連結串列是否為空 True
插入節點後，List1 的長度為： 5
遍歷並列印整個連結串列:
2 1 3 4 5
反轉整個連結串列:
5 4 3 1 2
刪除頭節點:
4 3 1 2
刪除尾節點:
4 3 1
在第二個位置插入5:
4 5 3 1
在第-1個位置插入100：
100 4 5 3 1
在第100個位置插入2：
100 4 5 3 1 2
刪除元素5：
5
100 4 3 1 2
修改第5個位置的元素為7:
100 4 3 1 7
查詢元素1:
True
總結
在我們對這些基礎操作熟練之後，我推薦的學習方法就是對網上（比如LeetCode）上與單鏈表相關的習題進行練習。具體有哪些好的習題呢？等後面寫部落格找一些經典的題並把思路寫出來，如果你找到了好的題歡迎分享給我，一起學習探討。