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# 练习 14：双链表

> 原文：[Exercise 14: Double Linked Lists](https://learncodethehardway.org/more-python-book/ex14.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/)

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`。

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。

`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。

考虑到这些变化，我们的节点类看起来像这样：

```py
class DoubleLinkedListNode(object):

def __init__(self, value, nxt, prev):
        self.value = value
        self.next = nxt
        self.prev = prev

def __repr__(self):
        nval = self.next and self.next.value or None
        pval = self.prev and self.prev.value or None
        return f"[{self.value}, {repr(nval)}, {repr(pval)}]"
```

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。

```py
class DoubleLinkedList(object):

def __init__(self):
        self.begin = None
        self.end = None
```

## 引入不变条件

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：

```py
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 detach_node(self, node):
        """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。"""

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。"""
```

使用`self.end`指针，你现在必须在每个操作中处理更多的条件：

+   是否有零个元素？那么`self.begin`和`self.end`都需要是`None`。
+   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）。
+   第一个节点的`prev`必须始终为`None`。
+   最后一个节点的`next`必须始终为`None`。

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”。

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。

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。

## 挑战练习

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。

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。

## 深入学习

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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