双向链表：实现、操作与分析【算法 17】

双向链表：实现、操作与分析

引言

双向链表（Doubly Linked List）是链表数据结构的一种重要形式，它允许节点从两个方向进行遍历。与单向链表相比，双向链表中的每个节点不仅包含指向下一个节点的指针（或引用），还包含指向前一个节点的指针（或引用）。这种结构使得双向链表在插入和删除节点时更加灵活和高效，特别是在需要频繁访问前驱节点的情况下。

双向链表的实现

节点定义

首先，我们需要定义双向链表的节点。每个节点包含三个部分：存储的数据、指向下一个节点的指针（或引用）以及指向前一个节点的指针（或引用）。

class ListNode:  def __init__(self, value=0, prev=None, next=None):  self.value = value  self.prev = prev  self.next = next

双向链表类

接下来，我们定义双向链表类，包含初始化链表、插入节点、删除节点、遍历链表等基本操作。

class DoublyLinkedList:  def __init__(self):  self.head = None  self.tail = None  def append(self, value):  """在链表末尾添加节点"""  new_node = ListNode(value)  if not self.head:  self.head = self.tail = new_node  else:  self.tail.next = new_node  new_node.prev = self.tail  self.tail = new_node  def prepend(self, value):  """在链表开头添加节点"""  new_node = ListNode(value)  if not self.head:  self.head = self.tail = new_node  else:  self.head.prev = new_node  new_node.next = self.head  self.head = new_node  def delete_node(self, node):  """删除指定节点"""  if not node:  return  if node.prev:  node.prev.next = node.next  else:  self.head = node.next  if node.next:  node.next.prev = node.prev  else:  self.tail = node.prev  def print_list(self):  """打印链表"""  current = self.head  while current:  print(current.value, end=" ")  current = current.next  print()

双向链表的操作

插入操作

• append(value): 在链表末尾添加新节点。
• prepend(value): 在链表开头添加新节点。

删除操作

• delete_node(node): 删除指定的节点。需要传入要删除的节点对象。

遍历操作

• print_list(): 遍历链表并打印每个节点的值。

双向链表的分析

优点

1. 灵活性：双向链表允许从两个方向遍历，使得插入和删除操作更加灵活。
2. 高效性：在已知前驱节点或后继节点的情况下，插入和删除操作的时间复杂度为O(1)。

缺点

1. 空间复杂度：每个节点需要额外的空间来存储前驱节点的指针，增加了空间开销。
2. 指针管理：在插入和删除节点时，需要维护更多的指针关系，增加了实现的复杂性。

结论

双向链表是一种强大的数据结构，适用于需要频繁进行节点插入和删除操作，并且需要快速访问前驱和后继节点的场景。通过合理的实现和操作，我们可以充分利用双向链表的优点，同时避免其缺点带来的问题。希望本文能帮助你更好地理解和使用双向链表。