Связный список на Python: Коты в коробках

И снова здравствуйте! В преддверии старта курса «Разработчик Python» подготовили для вас небольшой авторский материал о связных списках на Python.

Python очень удобный и многогранный язык, но по умолчанию не имеет такой структуры данных как связный список или LinkedList. Сегодня я поделюсь своими наработками на эту тему и расскажу немного о том, что из себя представляет эта структура данных. Эта статья будет интересна тем, кто впервые сталкивается с темой связных списков и хочет понять, как они работают с алгоритмической точки зрения.

---

Что такое LinkedList?

LinkedList или связный список – это структура данных. Связный список обеспечивает возможность создать двунаправленную очередь из каких-либо элементов. Каждый элемент такого списка считается узлом. По факту в узле есть его значение, а также две ссылки – на предыдущий и на последующий узлы. То есть список «связывается» узлами, которые помогают двигаться вверх или вниз по списку. Из-за таких особенностей строения из связного списка можно организовать стек, очередь или двойную очередь.

Давайте визуализируем сухие определения. Теперь у нас есть коты, которые сидят в коробках. И на каждой коробке написано какая она по порядку и за какой должна стоять.



Что мы будем делать со связным списком:

1. Проверять содержится ли в нем тот или иной элемент;
2. Добавлять узлы в конец;
3. Получать значение узла по индексу;
4. Удалять узлы.

На самом деле опций по работе с ними гораздо больше, но остановимся мы именно на реализации этих основных шагов. Поняв, по какому принципу они строятся, вы сами с легкостью сможете реализовать свои собственные методы.

Начать придется с создания двух классов:

class Box:
  def __init__ (self,cat = None):
    self.cat = cat
    self.nextcat = None

class LinkedList:
  def __init__(self):
    self.head = None

В общем случае, у нас получился узел, у которого есть внутри какое-то значение – кот, и ссылка на следующий узел. То есть в классе Box, соответственно, есть кот и ссылка на следующую коробку. Как и у любого списка, у связного тоже есть начало, а именно head. Поскольку изначально там ничего нет, начальному элементу присваивается значение None.

Содержится ли элемент в списке

Начнем с простого. Чтобы проверить есть ли какой-то определенный кот в одной из последовательно расположенных коробок, нужно пройтись циклом по всему списку, сверяя имеющееся значение со значениями элемента в списке.

def contains (self, cat):
    lastbox = self.head
    while (lastbox):
      if cat == lastbox.cat:
        return True
      else:
        lastbox = lastbox.nextcat
    return False

Добавить узел в конец списка

Для начала новую коробку нужно создать, а уже в нее поместить нового кота. После необходимо проверять начиная с начала связного списка, есть ли в текущем узле ссылка на следующий и если она есть, то переходить к нему, в противном случае узел — последний, значит нужно создавать ссылку на следующий узел и помещать в него ту самую новую коробку, которую мы создали.

 def addToEnd(self, newcat):
    newbox = Box(newcat)
    if self.head is None:
      self.head = newbox
      return
    lastbox = self.head
    while (lastbox.nextcat):
        lastbox = lastbox.nextcat
    lastbox.nextcat = newbox

Получить узел по индексу

По индексу catIndex мы хотим получить узел-коробку, но поскольку как такового индекса у узлов не предусмотрено, нужно придумать какую-то замену, а именно переменную, которая будет выполнять роль индекса. Эта переменная – это boxIndex. Мы проходимся по всему списку и сверяем «порядковый номер» узла, и при совпадении его с искомым индексом – выдаем результат.

 def get(self, catIndex):
    lastbox = self.head
    boxIndex = 0
    while boxIndex <= catIndex:
      if boxIndex == catIndex:
          return lastbox.cat
      boxIndex = boxIndex + 1
      lastbox = lastbox.nextcat

Удалить узел

Здесь мы рассмотрим удаление элемента не по индексу, а по значению, чтобы внести хоть какое-то разнообразие.

Поиск начинается с головы списка, то есть с первой по счету коробки, и продолжается, пока коробки не закончатся, то есть пока headcat не станет None. Мы проверяем соответствует ли значение, хранящееся в текущем узле, тому, которое мы хотим удалить. Если нет, то мы просто идем дальше. Однако, если соответствует, то мы удаляем его и «перепривязываем» ссылки, то есть мы удаляем N-ую коробку, при этом коробка N-1 теперь ссылается на коробку N+1.

  def removeBox(self,rmcat):
    headcat = self.head

    if headcat is not None:
      if headcat.cat==rmcat:
        self.head = headcat.nextcat
        headcat = None
        return
    while headcat is not None:
      if headcat.cat==rmcat:
        break
      lastcat = headcat
      headcat = headcat.nextcat
    if headcat == None:
      return
    lastcat.nextcat = headcat.nextcat
    headcat = None

Вот и все, спасибо, что ознакомились с материалом! На самом деле структура LinkedList это не сложно, и важно понимать, как она работает изнутри. Конечно, на Python ее можно было бы реализовать и в lambda-выражениях, это заняло бы гораздо меньше места, однако здесь я преследовала целью объяснить ее строение, и принцип ее работы на Python максимально подробно, а не гнаться за оптимизацией.

Исходный код можно посмотреть здесь.