练习 13：单链表 · 笨办法学 Python · 续中文版

# 练习 13：单链表 > 原文：[Exercise 13: Single Linked Lists](https://learncodethehardway.org/more-python-book/ex13.html) > 译者：[飞龙](https://github.com/wizardforcel) > 协议：[CC BY-NC-SA 4.0](http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/) > 自豪地采用[谷歌翻译](https://translate.google.cn/) 你将实现的第一个数据结构是单链表。我将描述数据结构，列出你应该实现的所有操作，并给你实现需要通过的单个测试。你应该首先尝试使用此数据结构，然后再观看我的实现和审计视频，以便你了解该过程。 > 警告 > 这些都不是数据结构的高效实现。它们故意做成朴素和缓慢的，以便我们可以在练习 18 和 19 中讲解度量和优化。如果你在行业工作中尝试使用这些数据结构，就会有性能问题。 ## 描述在面向对象语言（如 Python）中处理许多数据结构时，你需要理解三个常见概念： + “节点”，通常是数据结构的容器或存储单元。你的值保存在这里。 + “边”，但我们会叫它“指针”或“链接”，它指向其他节点。这些都放在每个节点内，通常作为实例变量。 + “控制器”，它是一些类，知道如何使用节点中的指针来正确构造数据。在 Python 中，我们将映射这些概念，如下所示： + 节点只是一个类定义的对象。 + 指针（边）只是节点对象中的实例变量。 + 控制器是另一个简单的类，它使用节点存储所有内容并构建数据。这是所有的操作（`push`，`pop`，`list`等）的地方，通常控制器的使用者从来没有真正处理节点或指针。在一些关于算法的书中，你将看到这样的实现，将节点和控制器组合成一个类，但这是非常混乱的，也违反了设计中的问题分离。最好将节点与控制类分开，以便只做一件事并且把它做好，以及你知道错误在哪里。想象一下，我们想要存储一系列汽车。我们有第一辆车，后面是第二辆，直到最后一辆。想象这个列表，我们可以开始设想一个节点/指针/控制器设计： + 节点包含每个车的描述。也许这只是一个`Car`类的`node.value`变量。如果你很懒，我们可以调用这个`SingleLinkedListNode`或`SLLNode`。 + 然后，每个`SLLNode`具有一个链接，指向链表中下一个节点。访问`node.next`可以让你访问下一辆车。 + 控制器，简单地称为`SingleLinkedList`，具有诸如`push`，`pop`，`first`或`count`之类的操作，它们接受`Car`，并且使用节点在内部进行存储。当你将汽车`push`到`SingleLinkedList`控制器上时，它将处理在一个节点的内部链表，来将其存储在最后。 > 注 > 当 Python 有个相当好用并且快速的`list`时，为什么我们要这么做呢？完全是为了学习数据结构。在真实世界中，你可以使用 Python 的`list`并继续。为了实现`SingleLinkedListNode`，我们需要一个简单的类，如下： ```py class SingleLinkedListNode(object): def __init__(self, value, nxt, prev): self.value = value self.next = nxt def __repr__(self): nval = self.next and self.next.value or None return f"[{self.value}:{repr(nval)}]" ``` 我们必须使用单词`nxt`，因为`next`是 Python 中的保留字。除此之外，这是一个非常简单的课程。最复杂的是`__repr__`函数。当你使用`%r`格式或在节点上调用`repr()`时，这会打印调试输出。它应该返回一个字符串。 > 注 > 现在花时间了解如何使用`SingleLinkedListNode`类手动构建列表，然后手动遍历它。这是一个很好的45分钟 hack spike，尝试练习它。 ## 控制器一旦我们在`SingleLinkedListNode`类中定义了我们的节点，我们可以确切地知道控制器应该做什么。每个数据结构都有所需的常用操作列表，使其有用。不同的操作花费不同的内存（空间）和时间，一些是昂贵的，另一些是快速的。`SingleLinkedListNode`的结构使得一些操作非常快，但是许多其他操作非常慢。在实现过程中，你将会了解到它。查看操作的最简单方法是，查看`SingleLinkedList`类的框架版本： ```py class SingleLinkedList(object): def __init__(self): self.begin = None self.end = None def push(self, obj): """将新的值附加到链表尾部。""" def pop(self): """移除最后一个元素并返回它。""" def shift(self, obj): """将新的值附加到链表头部。""" def unshift(self): """移除第一个元素并返回它。""" def remove(self, obj): """寻找匹配的元素并从中移除。""" def first(self): """返回第一个元素的*引用*，不要移除。""" def last(self): """返回最后一个元素的*引用*，不要移除。""" def count(self): """计算链表中的元素数量。""" def get(self, index): """获取下标处的值。""" def dump(self, mark): """转储链表内容的调试函数。""" ``` 在其他练习中，我只会告诉你这些操作，并留给你来弄清楚，但是对于这个练习，我会指导你实现。查看`SingleLinkedList`中的函数列表，来查看每个操作以及如何使用的注释。 ## 测试我现在要向你提供测试，实现这个类时，你必须使其能够工作。你会看到我已经遍历了每一个操作，并试图覆盖大部分的边界情况，但是当我进行审计时，你会发现实际上我可能错过了一些。人们常常不会对一些案例进行测试，例如“零个元素”和“一个元素”。 ```py from sllist import * def test_push(): colors = SingleLinkedList() colors.push("Pthalo Blue") assert colors.count() == 1 colors.push("Ultramarine Blue") assert colors.count() == 2 def test_pop(): colors = SingleLinkedList() colors.push("Magenta") colors.push("Alizarin") assert colors.pop() == "Alizarin" assert colors.pop() == "Magenta" assert colors.pop() == None def test_unshift(): colors = SingleLinkedList() colors.push("Viridian") colors.push("Sap Green") colors.push("Van Dyke") assert colors.unshift() == "Viridian" assert colors.unshift() == "Sap Green" assert colors.unshift() == "Van Dyke" assert colors.unshift() == None def test_shift(): colors = SingleLinkedList() colors.shift("Cadmium Orange") assert colors.count() == 1 colors.shift("Carbazole Violet") assert colors.count() == 2 assert colors.pop() == "Cadmium Orange" assert colors.count() == 1 assert colors.pop() == "Carbazole Violet" assert colors.count() == 0 def test_remove(): colors = SingleLinkedList() colors.push("Cobalt") colors.push("Zinc White") colors.push("Nickle Yellow") colors.push("Perinone") assert colors.remove("Cobalt") == 0 colors.dump("before perinone") assert colors.remove("Perinone") == 2 colors.dump("after perinone") assert colors.remove("Nickle Yellow") == 1 assert colors.remove("Zinc White") == 0 def test_first(): colors = SingleLinkedList() colors.push("Cadmium Red Light") assert colors.first() == "Cadmium Red Light" colors.push("Hansa Yellow") assert colors.first() == "Cadmium Red Light" colors.shift("Pthalo Green") assert colors.first() == "Pthalo Green" def test_last(): colors = SingleLinkedList() colors.push("Cadmium Red Light") assert colors.last() == "Cadmium Red Light" colors.push("Hansa Yellow") assert colors.last() == "Hansa Yellow" colors.shift("Pthalo Green") assert colors.last() == "Hansa Yellow" def test_get(): colors = SingleLinkedList() colors.push("Vermillion") assert colors.get(0) == "Vermillion" colors.push("Sap Green") assert colors.get(0) == "Vermillion" assert colors.get(1) == "Sap Green" colors.push("Cadmium Yellow Light") assert colors.get(0) == "Vermillion" assert colors.get(1) == "Sap Green" assert colors.get(2) == "Cadmium Yellow Light" assert colors.pop() == "Cadmium Yellow Light" assert colors.get(0) == "Vermillion" assert colors.get(1) == "Sap Green" assert colors.get(2) == None colors.pop() assert colors.get(0) == "Vermillion" colors.pop() assert colors.get(0) == None ``` 仔细研究此测试，以便你在尝试实现之前，先了解每个操作应如何工作。我不会一次将所有这些代码写入文件。相反，最好每次只做一个测试，并使其小部分能够工作。 > 注 > 这里，如果你不熟悉自动化测试，你可能想要观看视频，来看我怎么做。 ## 审计入门当你执行每个测试时，你将审计代码来找到缺陷。最终，你将跟踪你在审计中找到的缺陷数量，但现在你需要在写完代码之后执行审计。“审计”类似于政府认为你偷税漏税的时候，税务局所做的工作。他们遍历每笔交易，每笔收入金额，所有支出金额，以及你为什么这样来花费。代码审核与之类似，因为你遍历每个函数，并分析所有输入参数，以及所有输出值。要进行基本的审计，你将执行此操作： + 从你的测试用例开始。在这个例子中我们来审计`test_push`。 + 查看第一行代码，并确定正在调用什么以及正在创建什么。在这种情况下，它的`colors = SingleLinkeList()`。这意味着我们正在创建`colors`变量，并调用`SingleLinkeList.__ init__`函数。 + 跳到`__init__`函数的顶部，保持测试用例和目标函数（`__init__`）并排。确认你已经这样做了。然后，确认你使用数值和类型正确的函数参数来调用它。在这种情况下`__init__`只需要`self`，它应该是正确的类型。 + 然后进入`__init__`并逐行审计，以相同的方式确认每个函数调用和变量。它的参数数量正确吗？类型正确吗？ + 在每个分支（`if`语句，`for`循环，`while`循环）中，确认逻辑是正确的，并且它处理逻辑中的任何可能的条件。`if`语句的`else`子句有错误吗？循环能结束吗？然后潜入每个分支，以相同方式跟踪函数，潜入，检查变量，回来，并检查返回值。 + 当你到达一个函数结尾或任何`return`的时候，跳回到`test_push`调用者，来检查返回值是否匹配期望值，当你调用它的时候。记住，尽管如此，你也可以对`__init__`中的每个调用搞这么做。 + 最后，当你到达`test_push`函数的末尾时，你就完成了，并且已经完成了它调用的每个函数的递归检查。这个流程一开始似乎很乏味，是的，但是你会越来越快，在视频中你会看到，在运行每个测试之前我都这么做（或至少我真的努力尝试这么做）。我按照以下流程： + 写一些测试代码。 + 编写代码使测试工作。 + 审计二者。 + 运行测试，看看我是否正确。 ## 挑战练习我们现在到达了这个部分，你已经准备好尝试它了。首先，浏览测试并研究它的作用，并研究`sllist.py`中的代码，来弄清楚你需要做什么。我建议当你尝试在`SingleLinkeList`中实现一个函数时，首先写一些注释来描述它做了什么，然后填充 Python 代码来使这些注释工作。你会看到我在视频中这样做。当你花了一两个 45 分钟的会话来 Hack 它并试图让它工作时，现在是观看视频的时候了。你首先需要尝试它，以便更好地了解我正在尝试的事情，这样可以使视频更容易理解。视频中我只是编程而不说话，但我会做一个旁白来讨论发生了什么。视频也更快来节省时间，我会剪切掉任何无聊的错误或时间的浪费。一旦你看到我是怎么做的，你已经做了笔记（对吗？），然后去尝试更严格的东西，并尽可能仔细地执行代码审核过程。 ## 审计编写代码后，请确保执行第三部分中描述的审计流程。如果你不太确定如何完成，我也将在视频中为这个练习执行审计。 ## 深入学习为这次练习准备的深入学习是，完全根据我在第三部分的介绍中描述的方式，尝试再次实现该算法。你还应该尝试思考，这个数据结构中的哪些操作最有可能很慢。完成后，对你创建的内容执行审计。