Python数据结构与算法详解：15个核心数据结构和算法，提升编程功力

# 1. Python数据结构概述

Python数据结构是用于组织和存储数据的抽象概念。它们提供了高效管理和处理数据的方法，是构建复杂应用程序的基础。数据结构的选择取决于应用程序的特定需求和要处理的数据类型。

Python提供了广泛的数据结构，包括列表、元组、字典、集合和队列。每个数据结构都有其独特的特性和用途。例如，列表是可变的顺序集合，而元组是不可变的顺序集合。字典是键值对的集合，而集合是无序的唯一元素集合。队列遵循先进先出（FIFO）原则，而栈遵循后进先出（LIFO）原则。

# 2. 线性数据结构

线性数据结构是一种元素按线性顺序组织的数据结构，其中每个元素都与前一个元素和后一个元素相连。它们是计算机科学中使用最广泛的数据结构之一，用于存储和处理有序数据。线性数据结构包括链表、栈和队列。

### 2.1 链表

链表是一种线性数据结构，其中元素存储在称为节点的动态分配的内存块中。每个节点包含数据和指向下一个节点的指针。链表中的第一个节点称为头节点，最后一个节点称为尾节点。

#### 2.1.1 单链表

单链表是一种链表，其中每个节点只指向下一个节点。它是一种简单的线性数据结构，易于实现和操作。

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_node = self.head
            while current_node.next is not None:
                current_node = current_node.next
            current_node.next = new_node

    def insert_at_index(self, index, data):
        if index == 0:
            self.insert_at_beginning(data)
        else:
            new_node = Node(data)
            current_node = self.head
            for i in range(index - 1):
                current_node = current_node.next
            new_node.next = current_node.next
            current_node.next = new_node

    def delete_at_beginning(self):
        if self.head is None:
            return
        self.head = self.head.next

    def delete_at_end(self):
        if self.head is None:
            return
        if self.head.next is None:
            self.head = None
        else:
            current_node = self.head
            while current_node.next.next is not None:
                current_node = current_node.next
            current_node.next = None

    def delete_at_index(self, index):
        if index == 0:
            self.delete_at_beginning()
        else:
            current_node = self.head
            for i in range(index - 1):
                current_node = current_node.next
            current_node.next = current_node.next.next

    def search(self, data):
        current_node = self.head
        while current_node is not None:
            if current_node.data == data:
                return True
            current_node = current_node.next
        return False

    def print_list(self):
        current_node = self.head
        while current_node is not None:
            print(current_node.data, end=" ")
            current_node = current_node.next

#### 2.1.2 双链表

双链表是一种链表，其中每个节点指向下一个节点和前一个节点。这使得双链表在某些操作上比单链表更有效率，例如从链表中间删除节点。

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

class DoublyLinkedList:
    def __init__(self):
        self.head = None
        self.tail = None

    def insert_at_beginning(self, data):
        new_node = Node(data)
        if self.head is None:
            self.head = new_node
            self.tail = new_node
        else:
            new_node.next = self.head
            self.head.prev = new_node
            self.head = new_node

    def insert_at_end(self, data):
        new_node = Node(data)
        if self.head is None:
            self.head = new_node
            self.tail = new_node
        else:
            new_node.prev = self.tail
            self.tail.next = new_node
            self.tail = new_node

    def insert_at_index(self, index, data):
        if index == 0:
            self.insert_at_beginning(data)
        elif index == self.get_length():
            self.insert_at_end(data)
        else:
            new_node = Node(data)
            current_node = self.head
            for i in range(index - 1):
                current_node = current_node.next
            new_node.next = current_node.next
            current_node.next = new_node
            new_node.prev = current_node
            new_node.next.prev = new_node

    def delete_at_beginning(self):
        if self.head is None:
            return
        if self.head == self.tail:
            self.head = None
            self.tail = None
        else:
            self.head = self.head.next
            self.head.prev = None

    def delete_at_end(self):
        if self.head is None: