数据结构之双向链表，你一定得知道

2024-01-29 10:16:54

在计算机科学中，链表是一种经典的数据结构，广泛应用于各种领域。它由一系列彼此相连的节点组成，每个节点存储一个数据元素以及指向下一个节点的链接。链表的优势在于插入和删除操作的复杂度为O(1)，使其在数据频繁变动的场景中极具竞争力。

为了进一步扩展链表的应用范围，双向链表应运而生。双向链表与单向链表相似，但每个节点不仅包含指向下一个节点的链接，还包含指向上一个 节点的链接。这种双向连接的结构使得双向链表在某些场景下比单向链表更具优势，例如：

快速定位元素： 在单向链表中，为了访问某个特定的元素，需要从头节点开始逐个遍历，直到找到目标元素。而在双向链表中，由于每个节点都指向其前驱节点，因此我们可以从目标元素出发，通过前驱节点的链接快速定位到其前驱元素，从而提高查找效率。
高效删除元素： 在单向链表中，删除一个元素需要先找到该元素的前驱节点，然后才能将其删除。而在双向链表中，由于每个节点都指向其前驱和后继节点，因此可以直接通过目标元素及其前驱、后继节点的链接将其删除，无需额外查找前驱节点，从而降低了删除操作的复杂度。
简化某些算法的实现： 在某些算法的实现中，双向链表可以简化代码并提高效率。例如，在实现LRU（最近最少使用）缓存算法时，双向链表可以帮助快速找到最近最少使用的元素并将其删除。

值得注意的是，双向链表也存在一些缺点，例如内存开销更大、实现和维护更加复杂。因此，在选择使用单向链表还是双向链表时，需要根据具体的应用场景进行权衡。

为了帮助读者更好地理解双向链表，我们提供以下示例代码：

class Node:
    def __init__(self, data):
        self.data = data
        self.next = None
        self.prev = None


class DoublyLinkedList:
    def __init__(self):
        self.head = None
        self.tail = None

    def insert_at_head(self, data):
        new_node = Node(data)
        if self.head is None:
            self.head = new_node
            self.tail = new_node
        else:
            new_node.next = self.head
            self.head.prev = new_node
            self.head = new_node

    def insert_at_tail(self, data):
        new_node = Node(data)
        if self.tail is None:
            self.head = new_node
            self.tail = new_node
        else:
            new_node.prev = self.tail
            self.tail.next = new_node
            self.tail = new_node

    def remove_node(self, node):
        if node is self.head:
            self.head = node.next
        elif node is self.tail:
            self.tail = node.prev
        else:
            node.prev.next = node.next
            node.next.prev = node.prev

    def search(self, data):
        current_node = self.head
        while current_node is not None:
            if current_node.data == data:
                return current_node
            current_node = current_node.next
        return None

    def print_list(self):
        current_node = self.head
        while current_node is not None:
            print(current_node.data, end=" ")
            current_node = current_node.next
        print()


if __name__ == "__main__":
    linked_list = DoublyLinkedList()
    linked_list.insert_at_head(10)
    linked_list.insert_at_tail(20)
    linked_list.insert_at_tail(30)
    linked_list.insert_at_head(5)
    linked_list.remove_node(linked_list.head.next)
    linked_list.print_list()

    print(f"Found node with data 20: {linked_list.search(20).data}")