09.10.2019 14:47
MaxRokatansky 13 4100 Источник
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.

Комментарии (13)


  1. VladGum
    09.10.2019 18:21
    #20733926

    Тема котов не раскрыта…


  1. Magikan
    09.10.2019 18:58
    #20734092

    в первом примере все таки nextbox, а не nextcat. и да, тема котов не раскрыта )


  1. gorodnev
    09.10.2019 20:46
    #20734510

    Простите, а чем Вам collections.deque не угодил?


    1. PiaFraus
      09.10.2019 21:27
      #20734642

      А как добавить в середину? (В статье этого использования нет, но в целом это свойство, которое отличает linked list от deque)


      1. Tihon_V
        09.10.2019 21:56
        #20734722
        +1

        Например, с помощью deque.insert?


        1. PiaFraus
          09.10.2019 21:58
          #20734726

          О как. В 3.5 добавили, не знал, спасибо!


  1. GCU
    10.10.2019 10:26
    #20736330

    А какой великий смысл придумывать свои названия функций вместо стандартных?
    contains вместо __contains__
    get вместо __getitem__
    addToEnd вместо append
    removeBox вместо remove


    1. trapwalker
      10.10.2019 16:11
      #20738660

      Наверно, может быть, в учебных целях?..
      Но тут я с вами согласен. Мне кажется автору стоило сделать еще один шаг и реализовать правильную библиотеку. А в идеале — вообще опубликовать на гитхабе как полностью оформленную библиотеку с тестами. Можно даже как отдельную статью сделать и это новичкам принесёт куда больше практической пользы, чем даже знакомство с этой структурой данных.
      Не помешали бы также тесты производительности по сравнению с штатными списком и деком.
      Ну и пару придирок вдогонку:

      • автору стоило использовать __slots__
      • имеет смысл сделать «ящики» неизменяемыми (immutable), ла еще и на основе typing.NamedTuple. Будет боле по-питоновски.
      • как выше уже намекнули, хорошо бы использовать «магические» методы
      • Не нужно лениться делать нормальные __repr__ и __init__
      • полезно оформить в пакет, прописать зависимости от версии питона,
      • сделать тесты
      • сделать итератор по элементам
      • хранить в контейнере ссылку на последний элемент тоже. Это O(1) по памяти, но делает вставку в конец тоже O(1), а сейчас O(N). Как-то нелогично же.
      • Для собственного развития автора реализовать бы такую же по свойствам структуру на основе словаря, но с бонусом в O(1) для вставки в любое место связного списка. У вас-то сейчас O(N)/
      • Можно сделать ту же структуру на основе бинарного дерева. Посравнивать производительность получившихся структур данных.

      Со всем этим багажом автора с руками оторвёт любая компания, которая набирает джунов.


      1. GCU
        10.10.2019 18:38
        #20739540

        На мой взгляд просто назвать методы по-другому потребует минимальных усилий со стороны автора и в то же время сделает использование удобнее, и учебным целям это скорее способствует.


        1. trapwalker
          11.10.2019 11:57
          #20742116

          Это безусловно. Я просто попытался понять мотивацию автора в именовании методов. Это не делает идею хорошей.


  1. Yngvie
    10.10.2019 16:43
    #20738894
    +1

    Мне кажется реализация не соответствует изначальному описанию


    По факту в узле есть его значение, а также две ссылки – на предыдущий и на последующий узлы.

    При этом в реализации есть только одна ссылка — на следующий узел.


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

    И еще неплохо было бы пройтись каким-нибудь валидатором для pep8. Где-то пробел пропущен, где-то отступы отличаются даже в пределах одной функции.


    1. trapwalker
      11.10.2019 12:02
      #20742148

      Ну что вы придираетесь? Автор, наверно, в первый раз что-то на питоне написал и уже хочет нас чему-нибудь полезному научить, а вы просто неблагодарный сноб=). Похвальный альтруизм должен вызывать у вас улыбку. Шутки шутками, а лучше так, чем <что-нибудь плохое> в <неподобающее для этого время и месте> делать.


      1. Yngvie
        11.10.2019 12:22
        #20742316

        Это же Хабр, комментарии должны быть полезнее статьи :)
        Пусть кто-нибудь из новичков прочтет и узнает, что связный список может быть односвязным или двусвязным. А то и кольцевым.