数据结构和算法-数据结构-线性结构-顺序表 链表和哈希表

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# 线性表是最基本的数据结构之一，在实际程序中应用非常广泛，它还经常被用作更复杂的数据结构的实现基础。

# 根据线性表的实际存储方式，分为两种实现模型：
# 顺序表，
# 链表，
# 下面分别进行研究，


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# 顺序表的研究
# 顺序表的基本形式，数据元素本身连续存储，

# 第一种情况：
# 如果顺序表的存储元素都是固定大小的，只需要一块空间，
# 第二种情况，
# 但是存储的每一个元素的大小不是全部固定的，比如列表中，可以是存储数字，但是也有字符串，等，
# 所以可以每一个值都是放到另外一个存储块中存储，然后把每一个存储块的地址按照顺序表存起来，
# 这种取值的时候，需要先找到地址，然后通过地址去找到存储块，找到具体的内容，

# 顺序表的实现，
# 比如存储8个元素，这个存储空间是一次性的向操作系统申请到的，
# 所以一个顺序表，除了要保存具体的存储内容以外，还需要一个表头，
# 表头需要两个信息一个是容量是多大也就是最大的存储信息，还有一个就是现在的存储内容，也就是现在存储了多少个元素了，
# 怎么把表头和信息存储到一起？
# 一种是存储在一起，这叫做一体式的存储，
# 一种是分开存储，这叫做分离式存储，在存储表头的时候加一个信息，就是存储内容的地址，也就是表头有三个了，容量，目前的存储数量，存储信息的地址，


# 一体式的存储和分离式存储，哪一个好？
# 读取：一体式的存储，直接跳过表头就可以读取了，分离式存储是多一步，先从表头获取到地址信息，然后到地址获取具体信息，
# 扩充数据：
# 一体式的存储容量是固定的，如果要多存储数据，必须要重新申请空白的空间，然后数据搬过来，表头也要搬过来，
# 分离式存储，表头不需要改，只需要地址指向新的地址就可以了，
# 所以为了考虑到数据的动态变化，还是更多的采用的是分离式的存储，

# 扩充的时候如何预估申请的空间呢？
# 比如原来的空间只能存储4个元素，为了存储第5个元素， 我需要重新申请空间，
# 第一种方式，固定申请，比如每次再申请10个空间，就是14个，这种节省空间，但是操作频繁，
# 第二种方式，加倍的方式，一开始4个，下一次就是翻倍，就是8个，这种空间牺牲一些， 但是时间会更有效率，这就是空间换取时间，

# 顺序表的弊端也很明显了，就是每次扩充数据，都需要重新申请空间，那么有没有一种结构，多一个数据，就往上加，而不是重新申请空间呢？
# 那就是链表了


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# 链表的研究
# 一个列表，需要存储3个元素，200,300,400
# 不用顺序表，这种受限，所以采用每加一个元素就申请一个空间，然后在每一个元素的后面新开一个空间，用来指向另外一个元素，
# 这样层层链接，就可以了，这种就是链表，

# 链表如何实现：
# 链表中每一个元素都是一个对象，每一个对象都是一个节点，包含有数据域key和指向下一个节点的指针next。通过各个节点之间的互相连接，最终串联成一个列表
# 每一个元素保持两个内容，准确来讲不能叫做元素了，而是叫做节点，
# 一个是信息，叫做数据区，
# 一个是下个元素的链接地址，这叫做链接区，尾结点指向的区域就是指向空，

# 单向链表，
# 第一节点是头节点，第二个节点是尾结点，
# Python中交换变量的操作，
# a=10
# b=10
# a,b=b,a # 这就是交换，这只在Python中有，别的语言没有，
# 为什么能达到这个效果，本质是什么？
# a是一个空间，10是一个空间，a的空间指向10的空间，
# 所以这种交换，就是指向的变化，所以不是真正的赋值
# 所以要记住，Python中的变量不是保存的内容，而是保持的地址，地址指向的地方保存的才是具体的信息，
# 所以a只是等于数字，字符串，列表等，这就是因为这个变量就是一个指向，这是Python和其他语言的差异，

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实现单向链表，
逻辑：
1. 因为链表的每一个节点,需要保存数据和链接，我们自己定义一个数据类型叫做节点类型来保存这两个信息,
2. 定义一个单链表类，初始是没有节点的，head是空的
3，实现几个方法
判断是否为空，
返回链表长度
遍历
头部添加，
尾部添加
中间添加
删除节点，
查找，


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class SingleNode(object):
    # 里面有两个元素
    def __init__(self,elem):
        self.elem=elem
        self.next=None  # 因为一开始只有一个元素，我不知道下一个元素是什么，
    

# 第一步：创建一个新的链表
# sll=SingleLinkList()，这里面是空的，没有任何的节点，head----指向None，
# 第二步：现在链表有了，要保存一个整数值100，就要构造一个节点，
# node=SingleNode(100)  # 这里面包含两个值，就是100，none，然后链表的head就不是none，就是第一个节点，
class SingleLinkList(object):
    """单链表"""
    def __init__(self,node=None):
        self.__head = None  # 私有属性    设置成空，就是说这个链表里面没有任何的节点，先

    def is_empty(self):
        """判断链表是否为空"""
        return self.__head == None  # 只要链表的head是none就是空的链表，

    # 如何实现这个长度，因为链表是  head----100,next---20,next---300,next---none
    # 所以遍历这个链表，如果next是none就到头了，
    def length(self):
        """链表长度"""
        # cur游标，用来移动遍历节点，
        cur = self.__head
        # count用来计数，
        count = 0
        # 尾节点指向None，当未到达尾部时
        while cur != None:
            count += 1
            cur = cur.next  # 将cur后移一个节点，这一句很关键，
        return count

    def travel(self):
        """遍历链表"""
        cur = self.__head
        while cur != None:
            print(cur.elem,end=" ")
            cur = cur.next

    # 在头部插入数据的逻辑
    # 第一步，把新元素的next指向第一个节点，
    # 第二步，把head指向这个新元素
    # 这个逻辑也是可以处理空链表的情况，
    def add(self, item):
        """头部添加元素"""
        # 先创建一个保存item值的节点
        node = SingleNode(item)
        # 将新节点的链接域next指向头节点，即_head指向的位置
        node.next = self.__head  # 这个__head是原来的头部节点，
        # 将链表的头_head指向新节点
        self.__head = node

    def append(self, item):
        """尾部添加元素"""
        node = SingleNode(item)
        # 先判断链表是否为空，若是空链表，则将_head指向新节点
        if self.is_empty():
            self.__head = node
        # 若不为空，则找到尾部，将尾节点的next指向新节点
        else:
            cur = self.__head
            while cur.next != None:
                cur = cur.next  # 这个是一个属性，保存了一个节点类对象了，通过一通遍历，就把cur变成了尾结点了，
            cur.next = node  # 这就是把尾结点的指针指向下一个节点，

    # 通过坐标插入的实现逻辑
    #   inset(2,300)
    # 第一步，让新的节点，指向原来节点是2的节点，
    # 第二步，让左边是1的节点，指向新的节点，
    # 因为传过来的坐标是用户使用的，所以需要控制，
    # 1，如果是传入的0
    # 2，如果是传入的比长度还要大
    def insert(self, pos, item):
        """指定位置添加元素"""
        # 若指定位置pos为第一个元素之前，则执行头部插入
        if pos <= 0:
            self.add(item)
        # 若指定位置超过链表尾部，则执行尾部插入
        elif pos > (self.length() - 1):
            self.append(item)
        # 找到指定位置
        else:
            node = SingleNode(item)
            count = 0
            # pre用来指向指定位置pos的前一个位置pos-1，初始从头节点开始移动到指定位置
            pre = self.__head
            while count < (pos - 1):
                count += 1
                pre = pre.next  # 如果pos是2，那这个pre.next就是原来坐标是2的节点，
            node.next = pre.next  # 新节点node的next指向插入位置的节点
            pre.next = node  # 将插入位置的前一个节点的next指向新节点

    # 传入一个数据，需要删除具体的数据，
    # 实现逻辑，
    # 需要把删除的节点的上一个节点的指针指向下一个节点，让这个链表连接起来，
    # 用两个游标来解决这个问题，
    # 1，cur游标指向head
    # 2，pre游标指向cur，
    # 3，cur指向cur.next
    def remove(self, item):
        """删除节点"""
        cur = self.__head
        pre = None
        while cur != None:
            if cur.elem == item:   # 找到了要删除的元素
                if cur == self.__head:  # 如果找到的要删除的节点正好是第一个节点，怎么判断是第一个节点？：cur == self.__head
                    self.__head = cur.next  # 直接是让head指向被删除节点的next
                else:  #
                    pre.next = cur.next  # 将删除位置前一个节点的next指向删除位置的后一个节点，这样的写法即使只有一个节点，也能实现，
                break
            else:
                # 继续按链表后移节点，这两句就是把两个游标都往后移动，
                pre = cur
                cur = cur.next

    # 实现逻辑
    # 还是需要遍历列表的，判断节点的数据和用户要找的数据，是否相等，如果相等返回true，否则就是false，
    def search(self, item):
        """链表查找节点是否存在，并返回True或者False"""
        cur = self.__head
        while cur != None:
            if cur.elem == item:
                return True
            cur = cur.next
        return False


if __name__ == "__main__":
    ll=SingleLinkList()
    print(ll.is_empty())
    print(ll.length())
    ll.append(1)
    print(ll.is_empty())
    print(ll.length())
    ll.append(2)
    ll.append(3)
    ll.append(4)
    ll.append(5)
    ll.add(9)
    ll.insert(-1,200)
    ll.insert(1,300)
    ll.insert(11,400)
    ll.remove(400)
    ll.travel()

"""

# 双向链表
# 每一个节点需要保存三个内容了，上一个节点的地址，本个节点的数据，下一个节点的地址，
# 这样就有一个后继节点和前驱节点，
# 对于头结点的前驱节点是空，对于尾节点的下一个节点是空，
 

"""

class Node(object):
    """双向链表节点"""
    def __init__(self, item):
        self.item = item
        self.next = None
        self.prev = None


class DLinkList(object):
    """双向链表"""
    def __init__(self):
        self.__head = None

    def is_empty(self):  # 和单链表是一样的，
        """判断链表是否为空"""
        return self.__head is None  # self.__head == None你可以使用双等号，但是pep8推荐使用is，

    def length(self):  # 和单链表是一样的，
        """返回链表的长度"""
        cur = self.__head
        count = 0
        while cur != None:
            count += 1
            cur = cur.next
        return count

    def travel(self):  # 和单链表是一样的，
        """遍历链表"""
        cur = self.__head
        while cur != None:
            print(cur.item)
            cur = cur.next

    # 这个和单链表不一样，
    # 你在头部新增了一个节点
    # 第一步，新的节点的next指向下一个节点
    # 第二步，新节点的等于head
    # 第三步，原来的头部节点的prev指向新的节点，
    def add(self, item):
        """头部插入元素"""

        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            # 如果是空链表，将_head指向node
            self._head = node
        else:
            node.next = self.__head  # 空链表的时候self.__head还是一个none，所以next是等于none的，
            self.__head=node  # 让头部节点等于这个节点，
            node.next.prev = node  # node.next这是原来的头节点，他的prev指向新节点

    # 这个和单链表不一样，
    # 第一步，原来的尾结点的next指向新的节点，
    # 第二步，新的节点的prev，指向原来的尾结点，
    def append(self, item):
        """尾部插入元素"""
        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            # 如果是空链表，将__head指向node
            self.__head = node
        else:
            # 移动到链表尾部
            cur = self.__head
            while cur.next != None:
                cur = cur.next  # 这一步就是移动到尾节点
            # 将尾节点cur的next指向node
            cur.next = node
            # 将node的prev指向cur
            node.prev = cur

    # 这个插入，和单链表不一样，
    # 第一步，新的节点的next指向原来位置的节点，node.next = cur
    # 第二步，新的节点的prev指向原来位置的上一个节点cur.prev，node.prev = cur.prev
    # 第三步，原来位置的上一个节点的next指向新的节点，node,prev.next = node
    # 第四步，原来位置的prev指向新的节点，cur.prev = node
    # 代码不是唯一的，但是要理清楚，这种可能是面试题，可以画图理解，
    def insert(self, pos, item):
        """在指定位置添加节点"""
        if pos <= 0:
            self.add(item)
        elif pos > (self.length() - 1):
            self.append(item)
        else:
            cur = self._head
            count = 0
            # 移动到指定位置的前一个位置
            while count < pos:
                count += 1
                cur = cur.next
            # 退出循环的时候，cur指向pos位置
            node = Node(item)
            node.next = cur   # 第一步，新的节点的next指向原来位置的节点
            node.prev = cur.prev      # 第二步，新的节点的prev指向原来位置的上一个节点
            node.prev.next = node      # 第三步，原来位置的上一个节点的next指向新的节点
            cur.prev = node    # 第四步，原来位置的prev指向新的节点

    # 和单链表的逻辑不一样，
    # 第一步：让删除节点的上一个节点的next，指向删除节点的下一个节点，cur.prev.next = cur.next
    # 第二步，让删除节点的下一个的prev，指向删除节点的上一个节点，cur.next.prev = cur.prev
    # 如果是首节点，
    # 第一步：让head等于当前节点的下一个节点
    # 第二步：把当前节点的下一个节点的prev变成none，
    # 只有一个节点的时候，
    # 直接让head等于当前节点的next，因为当前节点的next是none，
    def remove(self, item):
        """删除元素"""
        cur=self.__head
        while cur != None:
            if cur.item == item:
                if cur ==self.__head:
                    self.__head=cur.next
                    if cur.next: # 这是专门处理只有一个节点的时候，因为只有一个节点，cur.next.prev这是没有值的，
                        cur.next.prev=None
                else:
                    cur.prev.next = cur.next  # 将cur的前一个节点的next指向cur的后一个节点
                    if cur.next:
                        cur.next.prev = cur.prev  # 将cur的后一个节点的prev指向cur的前一个节点
                break
            else:
                cur=cur.next


    def search(self, item):
        """查找元素是否存在"""
        cur = self.__head
        while cur != None:
            if cur.item == item:
                return True
            cur = cur.next
        return False



if __name__ == "__main__":
    ll = DLinkList()
    ll.add(1)
    ll.add(2)
    ll.append(3)
    ll.insert(2, 4)
    ll.insert(4, 5)
    ll.insert(0, 6)
    ll.travel()
    ll.remove(1)
    ll.travel()

# 单向循环链表，
# 和单向链表的唯一区别在于尾结点的next指向了头结点了，


class Node(object):
    """节点"""
    def __init__(self, item):
        self.item = item
        self.next = None


class SinCycLinkedlist(object):
    """单向循环链表"""
    def __init__(self,node=None):
        self.__head = None
        if node:
            node.next=node  # 只有一个元素也要指向自己，

    def is_empty(self):  # 和单链表一样，
        """判断链表是否为空"""
        return self.__head == None

    def length(self):
        """返回链表的长度"""
        # 如果链表为空，返回长度0
        if self.is_empty():
            return 0
        count = 1
        cur = self.__head
        while cur.next != self.__head:  # 判断尾部的条件变了，如果一个节点的next是头部节点，这就是尾结点了，
            count += 1
            cur = cur.next
        return count

    def travel(self):
        """遍历链表"""
        if self.is_empty():
            return
        cur = self.__head
        while cur.next != self.__head:
            print(cur.item)
            cur = cur.next
        # 退出循环，cur指向尾结点，但是尾结点的元素未打印，
        print(cur.item)  # 对于空节点，一个节点的情况也是能满足的，

    # 逻辑
    # 第一步，把新节点的next指向原来的头节点
    # 第二步，把头结点指向到新节点，
    # 第三步，把尾结点的next指向头结点，
    # 如果是一个空的链表，
    def add(self, item):
        """头部添加节点"""
        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            self.__head = node
            node.next = self.__head
        else:
            node.next = self.__head  # 添加的节点指向__head
            cur = self.__head  # 这是设置游标
            while cur.next != self.__head:
                cur = cur.next  # 不断的往后移动
            cur.next = node  # 退出循环，cur就是指向了尾结点，将尾部节点的next指向node
            self.__head = node  # 把头结点指向到新节点，

    # 逻辑
    # 第一步，把新的节点的next指向head，
    # 第二步，把原来的尾结点的next指向新节点，
    def append(self, item):
        """尾部添加节点"""
        node = Node(item)
        if self.is_empty():
            self.__head = node
            node.next = self.__head
        else:
            # 移到链表尾部
            cur = self.__head
            while cur.next != self.__head:
                cur = cur.next
            cur.next = node   # 将尾节点指向node
            node.next = self.__head  # 将node指向头节点__head

    # 逻辑和单链表是一样的，
    def insert(self, pos, item):
        """在指定位置添加节点"""
        if pos <= 0:
            self.add(item)
        elif pos > (self.length()-1):
            self.append(item)
        else:
            node = Node(item)
            cur = self.__head
            count = 0
            # 移动到指定位置的前一个位置
            while count < (pos-1):
                count += 1
                cur = cur.next
            node.next = cur.next
            cur.next = node

    # 逻辑
    # 如果删除的是头结点，
    # 第一步，head指向删除节点的下一个节点
    # 第二步，尾结点的next指向新的head，
    # 如果不是头结点，
    # 和单链表一样，直接把删除节点上一个节点的next指向，删除节点的下一个节点，
    def remove(self, item):
        """删除一个节点"""
        # 若链表为空，则直接返回
        if self.is_empty():
            return

        cur = self.__head
        pre = None
        while cur.next != self.__head:
            if cur.item==item:
                if cur.next == self.__head:  # 这是头结点的情况，
                    #如果是头结点还是需要遍历一遍，
                    rcur=self.__head
                    while rcur.next != self.__head:
                        rcur=rcur.next
                    self.__head = cur.next
                    rcur.next=self.__head
                else:  # 不是头结点的情况
                    pre.next=cur.next
                return
            else:
                pre= cur
                cur=cur.next
        # 退出循环，cur指向尾结点，
        if cur.item == item:
            if cur ==self.__head:
                self.__head=None
            else:
                pre.next = cur.next

    # 和单链表不一样
    def search(self, item):
        """查找节点是否存在"""
        if self.is_empty():
            return False
        cur = self.__head
        while cur.next != self.__head:  # 这种遍历把尾部节点漏掉了，对尾结点单独处理一下，
            if cur.item == item:
                return True
            else:
                cur = cur.next
        # 退出循环，cur指向的尾结点，
        if cur.item == item:  # 对尾节点进行判断，
            return True
        return False


# 所以你会发现整个过程，代码不是问题，都是最基本的，关键是要把逻辑理清楚，
# 你还可以对双向链表进行扩充，就是变成双向循环链表，

if __name__ == "__main__":
    ll = SinCycLinkedlist()
    ll.add(1)
    ll.add(2)
    ll.append(3)
    ll.insert(2, 4)
    ll.insert(4, 5)
    ll.insert(0, 6)
    ll.travel()
    ll.remove(1)
    ll.travel()

"""

哈希表
哈希表（又称为散列表），是一种线性表的存储结构。哈希表由一个顺序表（数组）和一个哈希函数组成。哈希函数h(k)将k作为自变量，返回元素的存储下标。

哈希表在Python中的应用
a、字典与集合都是通过哈希表来实现的
b、 在Python中的字典：
a = {'name': 'Alex', 'age': 18, 'gender': 'Man'}，使用哈希表存储字典，通过哈希函数将字典的键映射为下标。
c、在字典键值对数量不多的情况下，几乎不会发生哈希冲突，此时查找一个元素的时间复杂度为O(1)。
 
"""