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# 练习 14:双链表
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> 原文:[Exercise 14: Double Linked Lists](https://learncodethehardway.org/more-python-book/ex14.html)
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> 译者:[飞龙](https://github.com/wizardforcel)
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> 协议:[CC BY-NC-SA 4.0](http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/)
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> 自豪地采用[谷歌翻译](https://translate.google.cn/)
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以前的练习可能需要花一段时间才能完成,因为你必须弄清楚如何使单个链表工作。希望视频为你提供完成练习的足够信息,并向你展示如何审计代码。在本练习中,你将实现更好的链表`DoubleLinkedList`。
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在`SingleLinkedList`中,你应该已经意识到,涉及列表末尾的任何操作,都必须遍历每个节点,直到到达末尾。`SingleLinkedList`仅仅对于列表前面是高效的,那里你可以轻松地更改`next`指针。`shift`和`unshift`操作非常快,但`pop`和`push`的开销随链表增大而增大。你可以通过保留下一个元素到最后一个元素的引用来加速,但是如果要替换该元素,该怎么办?同样,你必须遍历所有的元素来找到这个元素。你可以通过细微变化来获得一些速度改进,但更好的解决方案是,修改结构,使其可以从任何位置工作。
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`DoubleLinkedList`与`SingleLinkedList`几乎一样,但它还有`prev`(上一个)链接,指向它前面的`DoubleLinkedListNode`。每个节点有一个额外的指针,使许多操作突然变得容易得多。你还可以在`DoubleLinkedList`中,轻易添加一个指向`end`的指针,所以你可以直接访问头部和尾部。这使得`push`和`pop`效率更加高效,因为你可以直接访问尾部,并使用`node.prev`指针获取上一个节点。
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考虑到这些变化,我们的节点类看起来像这样:
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```py
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class DoubleLinkedListNode(object):
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def __init__(self, value, nxt, prev):
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self.value = value
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self.next = nxt
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self.prev = prev
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def __repr__(self):
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nval = self.next and self.next.value or None
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pval = self.prev and self.prev.value or None
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return f"[{self.value}, {repr(nval)}, {repr(pval)}]"
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```
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所有添加的东西就是`self.prev = prev`,以及在`__repr__`中处理它。`DoubleLinkedList `类的实现使用`SingleLinkedList`的相同方式,除了你需要为链表末尾添加一个额外的变量。
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```py
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class DoubleLinkedList(object):
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def __init__(self):
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self.begin = None
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self.end = None
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```
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## 引入不变条件
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所有要实现的操作都一样,但是我们有一些额外的事情需要考虑:
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```py
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def push(self, obj):
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"""将新的值附加到链表尾部。"""
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def pop(self):
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"""移除最后一个元素并返回它。"""
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def shift(self, obj):
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"""将新的值附加到链表头部。"""
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def unshift(self):
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"""移除第一个元素并返回它。"""
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def detach_node(self, node):
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"""你有时需要这个操作,但是多数都在 remove() 里面。它应该接受一个节点,将其从链表分离,无论节点是否在头部、尾部还是在中间。"""
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def remove(self, obj):
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"""寻找匹配的元素并从中移除。"""
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def first(self):
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"""返回第一个元素的*引用*,不要移除。"""
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def last(self):
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"""返回最后一个元素的*引用*,不要移除。"""
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def count(self):
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"""计算链表中的元素数量。"""
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def get(self, index):
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"""获取下标处的值。"""
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def dump(self, mark):
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"""转储链表内容的调试函数。"""
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```
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使用`self.end`指针,你现在必须在每个操作中处理更多的条件:
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+ 是否有零个元素?那么`self.begin`和`self.end`都需要是`None`。
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+ 如果有一个元素,那么`self.begin`和`self.end`必须相等(指向同一个节点)。
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+ 第一个节点的`prev`必须始终为`None`。
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+ 最后一个节点的`next`必须始终为`None`。
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这些事实必须在`DoubleLinkedList`的生命周期中维持,这使得它们成为“不变条件”或者只是“不变量”。不变量的想法是,无论如何,这些基础检查显示了结构正常工作。查看不变量的一种方法是,任何重复调用的测试或者`assert`调用可以移动进一个函数,叫做`_invariant`,它执行这些检查。然后,你可以在测试中或每个函数的开始和结束处调用此函数。这样做会减少你的缺陷率,因为你假设“不管我做什么,这些都是真的”。
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不变量检查的唯一问题是它们的运行花费时间。如果每个函数调用也调用另一个函数两次,那么你就为每个函数增加了潜在的重要负担。如果你的`_invariant`函数也会导致成本增加,就变得更糟。想象一下,如果你添加了不变量:“所有节点都有一个`next`和`prev`,除了第一个和最后一个。这意味着每个函数调用都遍历列表两次。当你必须确保类一直有效时,这是值得的。如果不是,那就是一个问题。
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在这本书中,你可以使用`_invariant`函数,但请记住,你不需要始终使用它们。寻找方法,只在测试套件或调试中激活它们,或者在初始开发过程中使用它们,这是有效使用它们的关键。我建议你只在函数顶部调用`_invariant`,或者只在测试套件中调用它们。这是一个很好的权衡。
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## 挑战练习
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在本练习中,你将实现`DoubleLinkedList`的操作,但此时你还将使用`_invariant`函数来检查每个操作之前和之后是否正常。最好的方法是,在每个函数的顶部调用`_invariant`,然后在测试套件中的关键点调用它。`DoubleLinkedList`的测试套件几乎是`SingleLinkedList`测试的复制粘贴副本,除了在关键点添加`_invariant`调用。
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与`SingleLinkedList`一样,你需要自己手动研究此数据结构。你应该在纸张上绘制节点结构,并手动执行某些操作。接下来,在`dllist.py`文件中手动实现`DoubleLinkedListNode`。之后,花费一两个 45 分钟的时间,来尝试黑掉一些操作来弄清楚。我推荐`push`和`pop`。之后,你可以观看视频以查看我的工作,以及如何组合使用我的代码的审计和`_invariant`函数,来检查我在做什么。
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## 深入学习
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与以前的练习一样,你要按照记忆再次实现此数据结构。把你所知道的东西放在一个房间里,你的笔记本电脑在另一个房间。你将要执行此操作,直到你可以按照记忆实现`DoubleLinkedList`,而无需任何参考。
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