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ex13.md 12.39 KB wizardforcel 提交于 2017-08-06 16:59 . ex13

练习 13:单链表

原文:Exercise 13: Single Linked Lists

译者:飞龙

协议:CC BY-NC-SA 4.0

自豪地采用谷歌翻译

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(pushpoplist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SingleLinkedListNodeSLLNode
  • 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pushpopfirstcount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pushSingleLinkedList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。

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:

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。

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:

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”。

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。

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。

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