【Python 单链表详解：从实现到操作全面解析】
文章目录
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- 概要
- 一、节点类 Node 的设计
- 二、单链表类 SingleLinkList 的定义
- 三、常用操作详解
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- 1. 判断链表是否为空：is_empty()
- 2. 获取链表长度：get_length()
- 3. 获取指定位置的元素：get(pos)
- 4. 查找元素首次出现的位置：get_first_index(item)
- 5. 头插法：insert_head(item)
- 6. 尾插法：insert_tail(item)
- 7. 指定位置插入：insert(pos, item)
- 8. 删除指定位置的节点：remove(pos)
- 9. 遍历打印链表：travel()
- 四、关键知识点总结
- 五、完整测试示例
- 六、单元测试
- 七、结语
- 八、送给正在努力的你
概要
在数据结构中，链表是一种非常基础且重要的线性结构。与数组不同，链表通过节点之间的引用（指针）来组织数据，具有动态内存分配、插入和删除效率高等优点。
本文将围绕一个完整的单链表（Singly Linked List） 实现进行讲解，并详细说明每个方法的逻辑与作用，帮助你从零构建对链表的理解。
一、节点类 Node 的设计
class Node:
def __init__(self, item=None, next=None):
self.item = item
self.next = next
功能说明：
- item：用于存储当前节点的数据内容，可以是任意类型（整数、字符串、对象等）
- next：指向下一个节点的引用，默认为 None，表示链表结束
二、单链表类 SingleLinkList 的定义
class SingleLinkList:
def __init__(self):
self.__head = Node() # 初始化头节点
功能说明：
- 使用虚拟头节点 __head 简化插入和删除操作
- 虚拟头节点不存储有效数据，仅作为起始点
三、常用操作详解
1. 判断链表是否为空：is_empty()
def is_empty(self):
return self.__head.next is None
功能说明：
- 如果虚拟头节点的 next 为 None，说明链表中没有实际数据节点
- 时间复杂度：O(1)
2. 获取链表长度：get_length()
def get_length(self):
length = 0
p = self.__head.next
while p is not None:
p = p.next
length += 1
return length
功能说明：
- 遍历整个链表，统计有效节点数量
- 时间复杂度：O(n)
3. 获取指定位置的元素：get(pos)
def get(self, pos):
if pos < 0:
raise IndexError("Index out of range")
p = self.__head.next
index = 0
while index < pos and p is not None:
p = p.next
index += 1
if p is None:
raise IndexError(f"Index {pos} out of range")
return p.item
功能说明：
- 从第一个有效节点开始遍历，直到找到目标索引或越界
- 支持负数下标检查
- 时间复杂度：O(n)
示例：
sll = SingleLinkList()
sll.insert_head(10)
sll.insert_head(20)
sll.insert_head(30)
print(sll.get(0)) # 输出 30
print(sll.get(2)) # 输出 10
4. 查找元素首次出现的位置：get_first_index(item)
def get_first_index(self, item):
p = self.__head.next
index = 0
while p is not None and not (p.item == item):
p = p.next
index += 1
if p is not None:
return index
else:
return -1
功能说明：
- 遍历链表查找值为 item 的节点，返回其索引
- 若未找到则返回 -1
- 时间复杂度：O(n)
示例：
sll = SingleLinkList()
sll.insert_head(10)
sll.insert_head(20)
sll.insert_head(30)
print(sll.get_first_index(20)) # 输出 1
print(sll.get_first_index(50)) # 输出 -1
5. 头插法：insert_head(item)
def insert_head(self, item):
p = self.__head
new_node = Node(item)
new_node.next = p.next
p.next = new_node
功能说明：
- 在链表头部插入新节点
- 插入后原头节点成为第二个节点
- 时间复杂度：O(1)
示例：
sll.insert_head(10)
sll.insert_head(20)
sll.travel() # 输出: 20 10
6. 尾插法：insert_tail(item)
def insert_tail(self, item):
p = self.__head
new_node = Node(item)
while p.next is not None:
p = p.next
p.next = new_node
功能说明：
- 遍历到链表末尾，将新节点添加到最后一个节点之后
- 时间复杂度：O(n)
示例：
sll.insert_tail(30)
sll.insert_tail(40)
sll.travel() # 输出: 30 40
7. 指定位置插入：insert(pos, item)
def insert(self, pos, item):
if pos < 0:
self.insert_head(item)
return
p = self.__head
index = 0
while p is not None and index < pos:
p = p.next
index += 1
if p is None:
self.insert_tail(item)
else:
new_node = Node(item)
new_node.next = p.next
p.next = new_node
功能说明：
- 插入到指定位置（支持头插、尾插、中间插入）
- 如果 pos <= 0，默认执行头插
- 如果 pos >= length，自动执行尾插
- 时间复杂度：O(n)
示例：
sll.insert(2, 25) # 插入到第三个位置
sll.travel() # 输出: 20 10 25 30 40
8. 删除指定位置的节点：remove(pos)
def remove(self, pos):
if pos < 0:
raise IndexError("Index out of range")
p = self.__head
index = 0
while p is not None and index < pos:
p = p.next
index += 1
if p is None:
raise Exception("Index out of range")
p.next = p.next.next
功能说明：
- 找到要删除节点的前一个节点，修改其 next 指针跳过目标节点
- 时间复杂度：O(n)
示例：
sll.remove(2) # 删除第3个节点（即25）
sll.travel() # 输出: 20 10 30 40
9. 遍历打印链表：travel()
def travel(self):
p = self.__head.next
while p is not None:
print(p.item, end=' ')
p = p.next
print()
功能说明：
- 从第一个有效节点开始，依次访问所有节点并打印数据
- 时间复杂度：O(n)
四、关键知识点总结
| 操作 | 方法名 | 时间复杂度 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 判空 | is_empty() | O(1) | 检查是否有数据节点 |
| 获取长度 | get_length() | O(n) | 遍历链表计数 |
| 获取元素 | get(pos) | O(n) | 定位并返回对应节点数据 |
| 查找索引 | get_first_index(item) | O(n) | 返回首次出现的位置 |
| 头部插入 | insert_head(item) | O(1) | 插入到第一个节点 |
| 尾部插入 | insert_tail(item) | O(n) | 需要遍历到末尾 |
| 中间插入 | insert(pos, item) | O(n) | 定位后插入 |
| 删除节点 | remove(pos) | O(n) | 定位后跳过目标节点 |
| 遍历输出 | travel() | O(n) | 逐个打印 |
五、完整测试示例
sll = SingleLinkList()
sll.insert_head(10)
sll.insert_head(20)
sll.insert_head(30)
sll.insert_head(40)
sll.insert_head(50)
print("初始链表:")
sll.travel() # 输出: 50 40 30 20 10
sll.insert(3, 250)
print("插入 250 到位置 3:")
sll.travel() # 输出: 50 40 30 250 20 10
sll.remove(3)
print("删除位置 3 的节点:")
sll.travel() # 输出: 50 40 30 20 10
print("查找 20 的位置:", sll.get_first_index(20)) # 输出: 3
print("获取位置 2 的元素:", sll.get(2)) # 输出: 30
六、单元测试
七、结语
单链表作为一种基础的数据结构，虽然在随机访问上不如数组高效，但在频繁插入和删除场景下具有明显优势。掌握链表的插入、删除、查找、遍历等基本操作，是学习更复杂数据结构（如栈、队列、图、树）的基础。
八、送给正在努力的你
学习数据结构和算法的过程就像在黑暗中摸索前行，一开始你可能看不清方向，也看不到终点。但请相信，每一步看似笨拙的尝试，其实都在悄悄为你打下基础。那些你花时间理解的每一行代码，每一个你修复的 bug，每一次你重新思考逻辑的过程，都会成为你未来面对更复杂问题时的底气。你不需要一开始就写出完美的代码，只要你在不断尝试、不断改进，就已经走在了成为优秀开发者的路上。愿你始终保有信心，在编程的路上越走越稳，越走越远。你不是不行，只是还在成长。