【数据结构与算法基础】：从链表到哈希表，数据结构的奥秘，提升代码效率

# 1. 数据结构概述**

数据结构是计算机科学中组织和存储数据的方式。它定义了数据的逻辑结构和物理结构，以便有效地存储、检索和操作数据。数据结构的类型取决于数据的特性和应用程序的要求。

数据结构可以分为两大类：线性数据结构和非线性数据结构。线性数据结构中的元素按顺序组织，而非线性数据结构中的元素可以具有任意关系。线性数据结构包括数组、链表、栈和队列，而非线性数据结构包括树、图和散列表。

# 2.1 链表

### 2.1.1 链表的原理和实现

链表是一种线性数据结构，它由一组称为节点的元素组成。每个节点包含两个字段：数据字段和指针字段。数据字段存储实际数据，而指针字段指向下一个节点。链表的第一个节点称为头节点，最后一个节点的指针字段指向 `NULL`。

链表的实现方式有多种，最常见的是单链表和双链表。单链表中，每个节点只包含一个指针字段，指向下一个节点。双链表中，每个节点包含两个指针字段，一个指向下一个节点，另一个指向前一个节点。

### 2.1.2 链表的优点和缺点

**优点：**

* **插入和删除操作高效：**在链表中插入或删除一个节点只需要修改指针，不需要移动数据。
* **不需要预先分配内存：**链表不需要预先分配内存，而是根据需要动态分配。
* **可以表示任意长度的数据：**链表可以表示任意长度的数据，不受数组大小的限制。

**缺点：**

* **随机访问效率低：**链表中的元素只能通过顺序遍历来访问，随机访问效率较低。
* **内存开销较大：**每个链表节点都需要存储数据和指针，因此内存开销较大。

### 2.1.3 链表的应用场景

链表广泛应用于各种场景，包括：

* **存储可变长度的数据：**例如，字符串、链表等。
* **实现队列和栈：**链表可以轻松实现队列和栈等数据结构。
* **表示树形结构：**链表可以表示树形结构，例如二叉树。

**代码示例：**

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

class LinkedList:
    def __init__(self):
        self.head = None

    def insert_at_beginning(self, data):
        new_node = Node(data)
        new_node.next = self.head
        self.head = new_node

    def insert_at_end(self, data):
        new_node = Node(data)
        if self.head is None:
            self.head = new_node
        else:
            current = self.head
            while current.next is not None:
                current = current.next
            current.next = new_node

    def delete_at_beginning(self):
        if self.head is not N