当前位置:

首页 > 编程开发 > 链表的基础算法(Python)

链表的基础算法(Python)

1. 什么是链表 想象一下,你有一串珍珠项链。每颗珍珠(数据)都通过一根细线(指针)连接到下一颗珍珠。你可以轻松地在中间插入一颗新珍珠,或者取下一颗旧的,只需要调整几根线的连接,而不必像数组那样,把后面所有的珍珠都挪动位置。这就是链表(Linked List)——一种线性数据结构,它的元素在内存中不

1. 什么是链表

想象一下,你有一串珍珠项链。每颗珍珠(数据)都通过一根细线(指针)连接到下一颗珍珠。你可以轻松地在中间插入一颗新珍珠,或者取下一颗旧的,只需要调整几根线的连接,而不必像数组那样,把后面所有的珍珠都挪动位置。这就是链表(Linked List)——一种线性数据结构,它的元素在内存中不必连续存放,每个元素由一个节点(Node)表示,节点包含数据域和指向下一个节点的指针(引用)。

相比数组,链表的插入与删除效率更高,但代价是随机访问较慢,因为你必须从第一颗珍珠开始,一颗一颗数过去。

常见的链表类型主要有三种:

  • 单链表(Singly Linked List):只能单向前进。
  • 双向链表(Doubly Linked List):可以向前也可以向后。
  • 循环链表(Circular Linked List):首尾相连,形成一个环。

2. 单链表

2.1 节点定义

class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

这个结构非常直观:val 就是珍珠本身(存储的数据),next 就是那根指向下一颗珍珠的线。如果 nextNone,那就意味着这是项链的最后一颗珍珠。

2.2 基本操作

掌握了节点的结构,接下来看看如何操作这根“珍珠项链”。

遍历链表:从头开始,沿着 next 指针一路走下去。

def tra verse(head):
    cur = head
    while cur:
        print(cur.val, end=' -> ')
        cur = cur.next
    print('None')

在头部插入节点:这就像制作一条新项链,先把新珍珠的线连到旧的第一颗珍珠上,然后宣布这颗新珍珠成为项链的新起点。

def insert_at_head(head, val):
    new_node = ListNode(val)
    new_node.next = head
    return new_node

在尾部插入节点:需要先走到项链的末端,再把最后一颗珍珠的线系到新珍珠上。

def insert_at_tail(head, val):
    new_node = ListNode(val)
    if not head:
        return new_node
    cur = head
    while cur.next:
        cur = cur.next
    cur.next = new_node
    return head

删除节点:找到目标珍珠的前一颗珍珠,然后把它的线直接绕过目标,连接到再下一颗珍珠上。目标珍珠虽然还在,但已经没有任何线连接它,相当于从项链上取下来了。

def delete_node(head, target):
    if not head:
        return None
    if head.val == target:
        return head.next
    cur = head
    while cur.next:
        if cur.next.val == target:
            cur.next = cur.next.next
            return head
        cur = cur.next
    return head

反转链表:这是一个经典操作。思路是,把每一颗珍珠的指向都反过来。你需要三个指针:一个指向前一颗珍珠(prev),一个指向当前珍珠(cur),还有一个临时保存下一颗珍珠(next_node),防止断线。

def reverse_list(head):
    prev = None
    cur = head
    while cur:
        next_node = cur.next
        cur.next = prev
        prev = cur
        cur = next_node
    return prev

3. 双向链表

单链表只能向前走,万一错过了想回头怎么办?双向链表给每张“纸条”加上了“上一张纸条的位置”。这样你就可以自由前进或后退了。

每个节点有两个指针:prevnext

class DoubleListNode:
    def __init__(self, val=0, prev=None, next=None):
        self.val = val
        self.prev = prev
        self.next = next

在头部插入节点:操作稍多一步,需要维护好新节点和原头节点之间的双向链接。

def dll_insert_head(head, val):
    new_node = DoubleListNode(val)
    new_node.next = head
    if head:
        head.prev = new_node
    return new_node

删除节点:在已知节点引用的情况下,删除变得异常简单,只需要调整其前驱和后继节点的指针即可。

def dll_delete_node(node):
    if node.prev:
        node.prev.next = node.next
    if node.next:
        node.next.prev = node.prev

4. 循环链表

单循环链表:让尾节点的 next 指向头节点,形成一个环。约瑟夫问题就是它的经典应用场景。

def create_circular_list(values):
    if not values:
        return None
    head = ListNode(values[0])
    cur = head
    for v in values[1:]:
        cur.next = ListNode(v)
        cur = cur.next
    cur.next = head
    return head

遍历循环链表时需要特别注意终止条件,常用的方法是从头开始,当再次遇到头节点时停止。

5. 典型例题

5.1 反转列表

迭代法已经在 2.2 节给出。递归法则提供了一种更优雅的思路:

def reverse_list_recursive(head):
    if not head or not head.next:
        return head
    new_head = reverse_list_recursive(head.next)
    head.next.next = head
    head.next = None
    return new_head

递归过程就像是把一列火车从后向前一节节卸下来重新组装。尽管代码简洁,但要小心递归深度过大可能导致栈溢出。

5.2 合并两个有序链表

这就像有两队按身高排好队的小朋友,我们要把他们合并成一支新队伍。策略很简单:每次比较两队队首的身高,选较矮的加入新队伍,然后该队指针后移。

def merge_two_lists(l1, l2):
    dummy = ListNode(0)
    cur = dummy
    while l1 and l2:
        if l1.val < l2.val:
            cur.next = l1
            l1 = l1.next
        else:
            cur.next = l2
            l2 = l2.next
        cur = cur.next
    cur.next = l1 if l1 else l2
    return dummy.next

5.3 环形链表检测

判断链表中是否有环,经典的解决方案是 Floyd 判圈算法,又称“龟兔赛跑”算法。

我们派两个指针,一个每次走一步(乌龟),一个每次走两步(兔子)。如果赛道有环,兔子最终会追上乌龟;如果没有环,兔子会率先到达终点(None)。

alt转存失败,建议直接上传图片文件

def has_cycle(head):
    slow = fast = head
    while fast and fast.next:
        slow = slow.next
        fast = fast.next.next
        if slow == fast:
            return True
    return False

如果要求返回环的入口节点,算法需要稍作调整:

def detect_cycle(head):
    slow = fast = head
    while fast and fast.next:
        slow = slow.next
        fast = fast.next.next
        if slow == fast:
            slow = head
            while slow != fast:
                slow = slow.next
                fast = fast.next
            return slow
    return None

为什么这样能找到入口?简单来说,设头节点到环入口距离为 a,入口到相遇点距离为 b,环长为 L。第一次相遇时,快指针路程是慢指针的两倍,可以推导出 a 一定是 L 的整数倍减去 b。所以让一个指针从开头走 a 步,另一个从相遇点走 a 步(在环里相当于走了 L - b + b 等),它们必定在入口重合。

5.4 删除链表的倒数第 N 个节点

利用双指针技巧,让两个指针相距 N 步。当前面的指针走到链表末尾时,后面的指针正好指向待删除节点的前驱。

def remove_nth_from_end(head, n):
    dummy = ListNode(0, head)
    first = second = dummy
    for _ in range(n + 1):
        first = first.next
    while first:
        first = first.next
        second = second.next
    second.next = second.next.next
    return dummy.next

5.5 回文链表

判断链表是否为回文。一个巧妙的思路是:先找到链表中点,反转后半部分,然后同时从头部和反转后的后半部头部开始比较。

def is_palindrome(head):
    if not head or not head.next:
        return True
    # 找中点
    slow = fast = head
    while fast and fast.next:
        slow = slow.next
        fast = fast.next.next
    # 反转后半
    prev = None
    while slow:
        next_node = slow.next
        slow.next = prev
        prev = slow
        slow = next_node
    # 比较
    left, right = head, prev
    while right:
        if left.val != right.val:
            return False
        left = left.next
        right = right.next
    return True

5.6 两两交换链表中的节点

给定 1->2->3->4,返回 2->1->4->3。关键在于维护好一个“前驱”指针(prev),每次交换一对节点后,更新这个前驱指针。

def swap_pairs(head):
    dummy = ListNode(0, head)
    prev = dummy
    while prev.next and prev.next.next:
        first = prev.next
        second = first.next
        first.next = second.next
        second.next = first
        prev.next = second
        prev = first
    return dummy.next

5.7 链表相交

找到两个单链表相交的起始节点。一个巧妙的解法是:让两个指针分别从两个链表头出发,当走到末尾时,切换到另一个链表的头部继续走。如果两链表相交,它们最终会在交点相遇;如果不相交,最终会同时到达 None

def get_intersection_node(headA, headB):
    pa, pb = headA, headB
    while pa != pb:
        pa = pa.next if pa else headB
        pb = pb.next if pb else headA
    return pa

6. 链表常用技巧总结

  • 哑节点(Dummy Node):在链表头部前面添加一个不存储实际值的节点,可以极大地简化边界条件处理,尤其是在头节点可能发生变化的时候。
  • 双指针:快慢指针用于找中点、判断环;前后指针用于删除倒数第 N 个节点。
  • 递归:非常适合处理反转、合并等具有自相似性的问题,但需要注意递归深度可能导致的栈溢出。
  • 就地操作:对于反转、重排等操作,尽量使用 O(1) 的额外空间,直接在原链表上修改指针。

7. 复杂度分析

操作 数组 链表
随机访问 O(1) O(n)
头部插入 O(n) O(1)
尾部插入 O(1) 均摊 O(n) 无尾指针, O(1) 有尾指针
删除节点 O(n) O(1) 若已知前驱
查找 O(n) O(n)

从表格可以清晰地看出,链表在需要频繁插入、删除且不需要随机访问的场景下表现优异,而数组则在需要快速按索引访问时更胜一筹。选择哪种数据结构,取决于你的具体需求。

本文内容来源于互联网,如有侵权请联系删除。
作者最新文章
编程开发 Python
相关文章 更多
Python安装后怎么打开:使用IDLE或命令行启动解释器
Python安装后怎么打开:使用IDLE或命令行启动解释器

刚在Windows安装好Python却不知道如何启动?本文详细演示如何通过开始菜单找到并打开IDLE集成开发环境,以及如何在PowerShell或命令提示符中使用python和py命令启动交互式解释器、运行.py脚本文件。包含退出解释器的方法及常见启动问题排查,帮助初学者快速验证安装成功并开始编写代码。

Windows系统Python安装教程:下载、勾选PATH及环境变量配置
Windows系统Python安装教程:下载、勾选PATH及环境变量配置

针对Windows初学者的Python安装实战指南。详细讲解如何从Python官网下载匹配架构的安装包,重点演示安装首屏勾选“Add python.exe to PATH”的关键操作,并提供使用python --version和py命令验证环境变量的具体步骤,帮助新手快速搭建开发环境并排查路径问题。

麒麟OS如何查看Python进程的运行状态
麒麟OS如何查看Python进程的运行状态

要想确认麒麟OS中Python程序的运行状态以及资源占用情况,我们可以这样做:用ps -ef | grep python来筛选进程;通过top命令,按P键排序查看实时负载;使用pgrep -f "script.py"精准获取PID;借助lsof -p PID验证文件打开状态。另外,还可以结合syst

Python在Debian上如何配置SSL证书
Python在Debian上如何配置SSL证书

在Debian系统上配置SSL证书通常涉及以下几个步骤:安装Web服务器:首先,你需要一个Web服务器,比如Apache或Nginx。这里以Apache为例。sudo apt updatesudo apt install apache2获取SSL证书:你可以从Let’s Encrypt免费获取SSL

统信UOS怎么安装Python开发环境
统信UOS怎么安装Python开发环境

要想让Python项目在统信UOS上正常运行,得先安装python3、python3-pip、python3-venv、python3-dev以及build-essential等组件。具体操作就是执行sudo apt install命令来一步到位完成安装,同时别忘了配置清华镜像源来给pip加速哦。在

纯Python方案实现中英文全文搜索
纯Python方案实现中英文全文搜索

在互联网上的各类网站中,无论大小,基本上都会有一个搜索框,用来给用户对内容进行搜索,小到站点搜索,大到搜索引擎搜索。从简单的来说,搜索功能确实很简单,一个简单的select语句就可以实现数据的搜索。而从复杂的来看,无论是搜索的精度还是搜索的效率,都是有很深的研究范围的。对于简单的搜索功能来说,一个s

Mac如何取消通过Python脚本运行的关机程序
Mac如何取消通过Python脚本运行的关机程序

立即在终端输入sudo shutdown -c取消倒计时关机,成功后显示“Shutdown cancelled”;若存在pmset重复任务,需再执行sudo pmset repeat cancel清除。Mac因Python脚本执行了os.system("sudo shutdown -h +10")或

Pythonasyncio异步并发与多固定出口IP调度实战
Pythonasyncio异步并发与多固定出口IP调度实战

之前写过一篇同步场景下用 Python 管理多个固定出口 IP 的实践(ExitPool + requests/httpx),覆盖了健康检查、故障转移和连接池复用。但在实际业务中,越来越多的场景用 asyncio 做高并发采集或批量接口调用——异步事件循环下多出口的管理方式和同步场景完全不同:单线程

Python在静态出口IP产品中的实战:从地址漂移巡检到多IP故障切换
Python在静态出口IP产品中的实战:从地址漂移巡检到多IP故障切换

写在前面:为什么静态出口 IP 不是"买了就行"不少团队在引入静态出口 IP 产品时,第一反应往往是:“地址配上去,这事就算完了。”可真到了真实业务里,静态出口 IP 真正能体现价值的地方,往往不在分配这一步,而在分配之后怎么管:地址有没有漂移,质量是否达标,某一条线路突然不可用时怎么切换,连接层又

using namespace 使用中遇到的问题怎么解决
using namespace 使用中遇到的问题怎么解决

命名空间的基本概念与常见引入问题在C++等编程语言中,命名空间(namespace)是一种将代码标识符(如变量、函数、类名)封装在特定名称下的机制,其主要目的是避免命名冲突,尤其是在大型项目或使用多个第三方库时。使用“using namespace”指令可以将指定命名空间中的所有名称引入当前作用域,

查看更多
精品专题 更多
装机必备
装机必备

正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

Windows
Windows

正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

macOS软件
macOS软件

正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

Mac软件 更多
灵活计算器
灵活计算器
macOS/iOS/Android

灵活计算器是一款笔记式算数应用,支持实时计算、动态关联和云端同步功能。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

赤友清理大师
赤友清理大师
macOS

赤友清理大师是一款为 Mac 设计的智能清理优化工具,可精准扫描垃圾、大文件、重复文件等,释放磁盘空间。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

极度公式
极度公式
Windows/macOS/Linux

极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

WINDOWS 更多
Windows 10
Windows 10
Windows

Windows 10 是一款微软推出的经典操作系统,拥有硬件兼容性与多任务处理能力。它更偏向把系统状态查看和常用调节动作放在一起,适合需要持续观察和微调设备状态的场景。

极度公式
极度公式
Windows/macOS/Linux

极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

密码键盘
密码键盘
Windows/macOS/iOS/Android

密码键盘是一款兼具安全性与便捷性的高效密码管理器。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。