面接準備/資料構造4/リンクリスト

一般的なデータ構造:リンクリスト

1.リンクリスト構造

接続リストとも呼ばれます

配列は、順次接続された空間にデータがリストされるデータ構造です.

「リンク」(Link)リストは、分散したデータを矢印で接続して管理するデータ構造です.

C言語では主要なデータ構造であるが、Pythonのリストタイプはリンクリストのすべての機能をサポートしている.

リンクリストの基本構造と用語

ノード:データ記憶手段(データ値、ポインタ)からなる

ポインタ:各ノード内に、次または前のノードとの接続情報を持つスペース

*共通リンクリスト形式

(出典:wikipedia、https://en.wikipedia.org/wiki/Linked_list)

2.簡単なリンクリストの例

Node実装

通常Pythonでリンクリストを実現する場合、Pythonクラスを使用

Pythonの対象文法を理解する必要がある

参考:https://www.fun-coding.org/PL&OOP1-3.html

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

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

ノードとノードの接続(ポインタを使用)

node1 = Node(1)
node2 = Node(2)
node1.next = node2
head = node1

リンクリストへのデータの追加

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

def add(data):
    node = head
    while node.next:
        node = node.next
    node.next = Node(data) 

node1 = Node(1)
head = node1
for index in range(2, 10):
    add(index)

リンクリストデータの出力(検索)

node = head
while node.next:
    print(node.data)
    node = node.next
print (node.data)

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3.リンクリストの長所と短所（従来のC言語の配列とリンクリスト）

メリット

事前にデータスペースを割り当てる必要がない

アレイにデータ空間を予め割り当てる必要がある

デメリット

接続には独立したデータ空間が必要であるため、記憶空間の効率は高くない

接続情報の検索に時間がかかるためアクセス速度が遅い

中間データを削除する場合、前後データ接続の追加タスクを再構成する必要がある

4.リンクリストの複雑な機能1（リンクリストデータ間にデータを追加）

リンクリストはメンテナンスの追加実施が必要

(出典:wikipedia、https://en.wikipedia.org/wiki/Linked_list)

node = head
while node.next:
    print(node.data)
    node = node.next
print (node.data)

1
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9

node3 = Node(1.5)

node = head
search = True
while search:
    if node.data == 1:
        search = False
    else:
        node = node.next

node_next = node.next
node.next = node3
node3.next = node_next

node = head
while node.next:
    print(node.data)
    node = node.next
print (node.data)

1
1.5
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5.オブジェクト向けPythonプログラミングによるリンクリストの実装

class Node:
    def __init__(self, data, next=None):
        self.data = data
        self.next = next
    
class NodeMgmt:
    def __init__(self, data):
        self.head = Node(data)
        
    def add(self, data):
        if self.head == '':
            self.head = Node(data)
        else:
            node = self.head
            while node.next:
                node = node.next
            node.next = Node(data)
        
    def desc(self):
        node = self.head
        while node:
            print (node.data)
            node = node.next

linkedlist1 = NodeMgmt(0)
linkedlist1.desc()

0

for data in range(1, 10):
    linkedlist1.add(data)
linkedlist1.desc()

0
1
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6.リンクリストの複雑な機能2（特定のノードを削除）

以下のコードは、上のコードにdeleteメソッドのみが追加されているので、これらのメソッドをチェックするだけ

class Node:
    def __init__(self, data, next=None):
        self.data = data
        self.next = next
    
class NodeMgmt:
    def __init__(self, data):
        self.head = Node(data)
        
    def add(self, data):
        if self.head == '':
            self.head = Node(data)
        else:
            node = self.head
            while node.next:
                node = node.next
            node.next = Node(data)
        
    def desc(self):
        node = self.head
        while node:
            print (node.data)
            node = node.next
    
    def delete(self, data):
        if self.head == '':
            print ("해당 값을 가진 노드가 없습니다.")
            return
        
        if self.head.data == data:
            temp = self.head
            self.head = self.head.next
            del temp
        else:
            node = self.head
            while node.next:
                if node.next.data == data:
                    temp = node.next
                    node.next = node.next.next
                    del temp
                    return
                else:
                    node = node.next

テスト用のノードを作成

linkedlist1 = NodeMgmt(0)
linkedlist1.desc()

0

headが生きていることを確認する

linkedlist1.head

<__main__.Node at 0x1099fc6a0>

クリアヘッド(前述の数字1)

linkedlist1.delete(0)

Linkedlist 1は、次のコードの実行時に何も表示されないことを示します。headが正常に削除されたことを示します

linkedlist1.head

ノードを再作成

linkedlist1 = NodeMgmt(0)
linkedlist1.desc()

0

今回追加するノード

for data in range(1, 10):
    linkedlist1.add(data)
linkedlist1.desc()

0
1
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ノードの1つを削除します(前述の数2)

linkedlist1.delete(4)

特定のノードが削除されたことを示すメッセージ

linkedlist1.desc()

0
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9

linkedlist1.delete(9)

linkedlist1.desc()

0
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8

練習1:上記コードからノードデータが2のノードを削除してみる

node_mgmt.delete(2)
node_mgmt.desc()

練習2:上記のコードで関数を作成し、テストして、ノードデータが特定の数値のノードを検索します.
テスト:ランダムに1から9までのデータをリンクリストに入れ、データ値が4のノードのデータ値を出力しようとします.

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

class NodeMgmt:
    def __init__(self, data):
        self.head = Node(data)
    
    def add(self, data):
        if self.head == '':
            self.head = Node(data)
        else:
            node = self.head
            while node.next:
                node = node.next
            node.next = Node(data)

    def desc(self):
        node = self.head
        while node:
            print (node.data)
            node = node.next

    def delete(self, data):
        if self.head == '':
            print ('해당 값을 가진 노드가 없습니다.')
            return
        if self.head.data == data: # 경우의 수1: self.head를 삭제해야할 경우 - self.head를 바꿔줘야 함
            temp = self.head # self.head 객체를 삭제하기 위해, 임시로 temp에 담아서 객체를 삭제했음
            self.head = self.head.next # 만약 self.head 객체를 삭제하면, 이 코드가 실행이 안되기 때문!
            del temp
        else:
            node = self.head
            while node.next: # 경우의 수2: self.head가 아닌 노드를 삭제해야할 경우
                if node.next.data == data:
                    temp = node.next
                    node.next = node.next.next       
                    del temp                         
                    pass                             
                else:
                    node = node.next
                    
    def search_node(self, data):
        node = self.head
        while node:
            if node.data == data:
                return node
            else:
                node = node.next

# 테스트
node_mgmt = NodeMgmt(0)
for data in range(1, 10):
    node_mgmt.add(data)

node = node_mgmt.search_node(4)
print (node.data)

7.複数のリンクリスト構造

ダブルリンクリスト基本構造

二重接続リストとも呼ばれる

利点:双方向接続、ノードの双方向閲覧

(出典:wikipedia、https://en.wikipedia.org/wiki/Linked_list)

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

class NodeMgmt:
    def __init__(self, data):
        self.head = Node(data)
        self.tail = self.head

    def insert(self, data):
        if self.head == None:
            self.head = Node(data)
            self.tail = self.head
        else:
            node = self.head
            while node.next:
                node = node.next
            new = Node(data)
            node.next = new
            new.prev = node
            self.tail = new

    def desc(self):
        node = self.head
        while node:
            print (node.data)
            node = node.next

double_linked_list = NodeMgmt(0)
for data in range(1, 10):
    double_linked_list.insert(data)
double_linked_list.desc()

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練習3:上記のコードでは、ノードデータが特定の数値のノードになる前にデータを追加する関数を作成してテストします.
-二重リンクリストのtailから後ろに移動し、ノードの特定の番号を検索して関数を実装します.
-テスト:リンクリスト0～9にランダムにデータを入れ、データ値2のノードの前に1.5個のデータ値のノードを追加します.

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

class NodeMgmt:
    def __init__(self, data):
        self.head = Node(data)
        self.tail = self.head

    def insert(self, data):
        if self.head == None:
            self.head = Node(data)
            self.tail = self.head
        else:
            node = self.head
            while node.next:
                node = node.next
            new = Node(data)
            node.next = new
            new.prev = node
            self.tail = new

    def desc(self):
        node = self.head
        while node:
            print (node.data)
            node = node.next
    
    def search_from_head(self, data):
        if self.head == None:
            return False
    
        node = self.head
        while node:
            if node.data == data:
                return node
            else:
                node = node.next
        return False
    
    def search_from_tail(self, data):
        if self.head == None:
            return False
    
        node = self.tail
        while node:
            if node.data == data:
                return node
            else:
                node = node.prev
        return False
    
    def insert_before(self, data, before_data):
        if self.head == None:
            self.head = Node(data)
            return True
        else:
            node = self.tail
            while node.data != before_data:
                node = node.prev
                if node == None:
                    return False
            new = Node(data)
            before_new = node.prev
            before_new.next = new
            new.prev = before_new
            new.next = node
            node.prev = new
            return True

double_linked_list = NodeMgmt(0)
for data in range(1, 10):
    double_linked_list.insert(data)
double_linked_list.desc()

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node_3 = double_linked_list.search_from_tail(3)
node_3.data

3

double_linked_list.insert_before(1.5, 2)
double_linked_list.desc()

0
1
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7
8
9

node_3 = double_linked_list.search_from_tail(1.5)
node_3.data

1.5

練習4:上記のコードでは、ノードデータが特定の数値のノードの後にデータを追加する関数を作成してテストします.
-二重リンクリストのheadから次のノードに移動し、特定の番号のノードを検索することで関数を実装します.
-テスト:リンクリストにランダムにデータを入れ、データ値が1のノードの後に1.7個のデータ値のノードを追加しようとします.

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

class NodeMgmt:
    def __init__(self, data):
        self.head = Node(data)
        self.tail = self.head
    
    def insert_before(self, data, before_data):
        if self.head == None:
            self.head = Node(data)
            return True            
        else:
            node = self.tail
            while node.data != before_data:
                node = node.prev
                if node == None:
                    return False
            new = Node(data)
            before_new = node.prev
            before_new.next = new
            new.next = node
            return True

    def insert_after(self, data, after_data):
        if self.head == None:
            self.head = Node(data)
            return True            
        else:
            node = self.head
            while node.data != after_data:
                node = node.next
                if node == None:
                    return False
            new = Node(data)
            after_new = node.next
            new.next = after_new
            new.prev = node
            node.next = new
            if new.next == None:
                self.tail = new
            return True

    def insert(self, data):
        if self.head == None:
            self.head = Node(data)
        else:
            node = self.head
            while node.next:
                node = node.next
            new = Node(data)
            node.next = new
            new.prev = node
            self.tail = new

    def desc(self):
        node = self.head
        while node:
            print (node.data)
            node = node.next

node_mgmt = NodeMgmt(0)
for data in range(1, 10):
    node_mgmt.insert(data)

node_mgmt.desc()

node_mgmt.insert_after(1.5, 1)
node_mgmt.desc()