From cbf4ab0aaaf2d53e02cd9617aa942f00cbba3ba3 Mon Sep 17 00:00:00 2001
From: krahets <krahets@163.com>
Date: Fri, 25 Nov 2022 03:59:38 +0800
Subject: [PATCH] Add Python codes for the chapter of array and linked list.

---
 .../chapter_array_and_linkedlist/my_list.java |   4 +-
 .../chapter_array_and_linkedlist/array.py     |  89 +++++++++++++++
 .../linked_list.py                            |  69 ++++++++++++
 .../chapter_array_and_linkedlist/list.py      |  54 +++++++++
 .../chapter_array_and_linkedlist/my_list.py   | 100 +++++++++++++++++
 docs/chapter_array_and_linkedlist/array.md    |  53 ++++++++-
 .../linked_list.md                            |  53 ++++++++-
 docs/chapter_array_and_linkedlist/list.md     | 103 ++++++++++++++++--
 8 files changed, 503 insertions(+), 22 deletions(-)
 create mode 100644 codes/python/chapter_array_and_linkedlist/array.py

diff --git a/codes/java/chapter_array_and_linkedlist/my_list.java b/codes/java/chapter_array_and_linkedlist/my_list.java
index 50aa5fd..d4db0a2 100644
--- a/codes/java/chapter_array_and_linkedlist/my_list.java
+++ b/codes/java/chapter_array_and_linkedlist/my_list.java
@@ -20,12 +20,12 @@ class MyList {
         nums = new int[initialCapacity];
     }
 
-    /* 获取列表容量 */
+    /* 获取列表长度（即当前元素数量）*/
     public int size() {
         return size;
     }
 
-    /* 获取列表长度（即当前元素数量） */
+    /* 获取列表容量 */
     public int capacity() {
         return nums.length;
     }
diff --git a/codes/python/chapter_array_and_linkedlist/array.py b/codes/python/chapter_array_and_linkedlist/array.py
new file mode 100644
index 0000000..f505aa4
--- /dev/null
+++ b/codes/python/chapter_array_and_linkedlist/array.py
@@ -0,0 +1,89 @@
+'''
+File: array.py
+Created Time: 2022-11-25
+Author: Krahets (krahets@163.com)
+'''
+
+import sys, os.path as osp
+sys.path.append(osp.dirname(osp.dirname(osp.abspath(__file__))))
+from include import *
+
+""" 随机访问元素 """
+def randomAccess(nums):
+    # 在区间 [0, len(nums)) 中随机抽取一个数字
+    random_index = random.randint(0, len(nums))
+    # 获取并返回随机元素
+    random_num = nums[random_index]
+    return random_num
+
+""" 扩展数组长度 """
+def extend(nums, enlarge):
+    # 初始化一个扩展长度后的数组
+    res = [0] * (len(nums) + enlarge)
+    # 将原数组中的所有元素复制到新数组
+    for i in range(len(nums)):
+        res[i] = nums[i]
+    # 返回扩展后的新数组
+    return res
+
+""" 在数组的索引 index 处插入元素 num """
+def insert(nums, num, index):
+    # 把索引 index 以及之后的所有元素向后移动一位
+    for i in range(len(nums) - 1, index - 1, -1):
+        nums[i] = nums[i - 1]
+    # 将 num 赋给 index 处元素
+    nums[index] = num
+
+""" 删除索引 index 处元素 """
+def remove(nums, index):
+    # 把索引 index 之后的所有元素向前移动一位
+    for i in range(index, len(nums) - 1):
+        nums[i] = nums[i + 1]
+    
+""" 遍历数组 """
+def traverse(nums):
+    count = 0
+    # 通过索引遍历数组
+    for i in range(len(nums)):
+        count += 1
+    # 直接遍历数组
+    for num in nums:
+        count += 1
+
+""" 在数组中查找指定元素 """
+def find(nums, target):
+    for i in range(len(nums)):
+        if nums[i] == target:
+            return i
+    return -1
+
+""" Driver Code """
+if __name__ == "__main__":
+    """ 初始化数组 """
+    arr = [0] * 5
+    print("数组 arr =", arr)
+    nums = [1, 3, 2, 5, 4]
+    print("数组 nums =", nums)
+    
+    """ 随机访问 """
+    random_num = randomAccess(nums)
+    print("在 nums 中获取随机元素", random_num)
+    
+    """ 长度扩展 """
+    nums = extend(nums, 3)
+    print("将数组长度扩展至 8 ，得到 nums =", nums)
+    
+    """ 插入元素 """
+    insert(nums, 6, 3)
+    print("在索引 3 处插入数字 6 ，得到 nums =", nums)
+
+    """ 删除元素 """
+    remove(nums, 2)
+    print("删除索引 2 处的元素，得到 nums =", nums)
+    
+    """ 遍历数组 """
+    traverse(nums)
+    
+    """ 查找元素 """
+    index = find(nums, 3)
+    print("在 nums 中查找元素 3 ，得到索引 =", index)
diff --git a/codes/python/chapter_array_and_linkedlist/linked_list.py b/codes/python/chapter_array_and_linkedlist/linked_list.py
index d95d8af..1f5aaca 100644
--- a/codes/python/chapter_array_and_linkedlist/linked_list.py
+++ b/codes/python/chapter_array_and_linkedlist/linked_list.py
@@ -8,3 +8,72 @@ import sys, os.path as osp
 sys.path.append(osp.dirname(osp.dirname(osp.abspath(__file__))))
 from include import *
 
+""" 在链表的结点 n0 之后插入结点 P """
+def insert(n0, P):
+    n1 = n0.next
+    n0.next = P
+    P.next = n1
+
+""" 删除链表的结点 n0 之后的首个结点 """
+def remove(n0):
+    if not n0.next:
+        return
+    # n0 -> P -> n1
+    P = n0.next
+    n1 = P.next
+    n0.next = n1
+
+""" 访问链表中索引为 index 的结点 """
+def access(head, index):
+    for _ in range(index):
+        head = head.next
+        if not head:
+            return None
+    return head
+
+""" 在链表中查找值为 target 的首个结点 """
+def find(head, target):
+    index = 0
+    while head:
+        if head.val == target:
+            return index
+        head = head.next
+        index += 1
+    return -1
+
+"""
+Driver Code
+"""
+if __name__ == "__main__":
+    """ 初始化链表 """
+    # 初始化各个结点 
+    n0 = ListNode(1)
+    n1 = ListNode(3)
+    n2 = ListNode(2)
+    n3 = ListNode(5)
+    n4 = ListNode(4)
+    # 构建引用指向
+    n0.next = n1
+    n1.next = n2
+    n2.next = n3
+    n3.next = n4
+    print("初始化的链表为")
+    print_linked_list(n0)
+
+    """ 插入结点 """
+    insert(n0, ListNode(0))
+    print("插入结点后的链表为")
+    print_linked_list(n0)
+
+    """ 删除结点 """
+    remove(n0)
+    print("删除结点后的链表为")
+    print_linked_list(n0)
+
+    """ 访问结点 """
+    node = access(n0, 3)
+    print("链表中索引 3 处的结点的值 = {}".format(node.val))
+
+    """ 查找结点 """
+    index = find(n0, 2)
+    print("链表中值为 2 的结点的索引 = {}".format(index))
diff --git a/codes/python/chapter_array_and_linkedlist/list.py b/codes/python/chapter_array_and_linkedlist/list.py
index 823bfe4..8f45765 100644
--- a/codes/python/chapter_array_and_linkedlist/list.py
+++ b/codes/python/chapter_array_and_linkedlist/list.py
@@ -8,3 +8,57 @@ import sys, os.path as osp
 sys.path.append(osp.dirname(osp.dirname(osp.abspath(__file__))))
 from include import *
 
+"""
+Driver Code
+"""
+if __name__ == "__main__":
+    """ 初始化列表 """
+    list = [1, 3, 2, 5, 4]
+    print("列表 list =", list)
+
+    """ 访问元素 """
+    num = list[1]
+    print("访问索引 1 处的元素，得到 num =", num)
+
+    """ 更新元素 """
+    list[1] = 0
+    print("将索引 1 处的元素更新为 0 ，得到 list =", list)
+
+    """ 清空列表 """
+    list.clear()
+    print("清空列表后 list =", list)
+
+    """ 尾部添加元素 """
+    list.append(1)
+    list.append(3)
+    list.append(2)
+    list.append(5)
+    list.append(4)
+    print("添加元素后 list = ", list)
+
+    """ 中间插入元素 """
+    list.insert(3, 6)
+    print("在索引 3 处插入数字 6 ，得到 list =", list)
+
+    """ 删除元素 """
+    list.pop(3)
+    print("删除索引 3 处的元素，得到 list =", list)
+
+    """ 通过索引遍历列表 """
+    count = 0
+    for i in range(len(list)):
+        count += 1
+
+    """ 直接遍历列表元素 """
+    count = 0
+    for n in list:
+        count += 1
+
+    """ 拼接两个列表 """
+    list1 = [6, 8, 7, 10, 9]
+    list += list1
+    print("将列表 list1 拼接到 list 之后，得到 list =", list)
+
+    """ 排序列表 """
+    list.sort()
+    print("排序列表后 list =", list)
diff --git a/codes/python/chapter_array_and_linkedlist/my_list.py b/codes/python/chapter_array_and_linkedlist/my_list.py
index 51e060f..e5202ed 100644
--- a/codes/python/chapter_array_and_linkedlist/my_list.py
+++ b/codes/python/chapter_array_and_linkedlist/my_list.py
@@ -8,3 +8,103 @@ import sys, os.path as osp
 sys.path.append(osp.dirname(osp.dirname(osp.abspath(__file__))))
 from include import *
 
+
+""" 列表类简易实现 """
+class MyList:
+    """ 构造函数 """
+    def __init__(self):
+        self._initial_capacity = 10               # 列表初始容量
+        self._nums = [0] * self._initial_capacity # 数组（存储列表元素）
+        self._size = 0                            # 列表长度（即当前元素数量）
+        self._extend_ratio = 2                    # 每次列表扩容的倍数
+
+    """ 获取列表长度（即当前元素数量） """
+    def size(self):
+        return self._size
+    
+    """ 获取列表容量 """
+    def capacity(self):
+        return len(self._nums)
+    
+    """ 访问元素 """
+    def get(self, index):
+        # 索引如果越界则抛出异常，下同
+        assert index < self._size, "索引越界"
+        return self._nums[index]
+
+    """ 更新元素 """
+    def set(self, num, index):
+        assert index < self._size, "索引越界"
+        self._nums[index] = num
+
+    """ 中间插入元素 """
+    def add(self, num, index=-1):
+        assert index < self._size, "索引越界"
+        if index == -1:
+            index = self._size
+        # 元素数量超出容量时，触发扩容机制
+        if self._size == self.capacity():
+            self.extend_capacity()
+        # 索引 i 以及之后的元素都向后移动一位
+        for j in range(self._size - 1, index - 1, -1):
+            self._nums[j + 1] = self._nums[j]
+        self._nums[index] = num
+        # 更新元素数量
+        self._size += 1
+
+    """ 删除元素 """
+    def remove(self, index):
+        assert index < self._size, "索引越界"
+        # 索引 i 之后的元素都向前移动一位
+        for j in range(index, self._size - 1):
+            self._nums[j] = self._nums[j + 1]
+        # 更新元素数量
+        self._size -= 1
+
+    """ 列表扩容 """
+    def extend_capacity(self):
+        # 新建一个长度为 self._size 的数组，并将原数组拷贝到新数组
+        self._nums = self._nums + [0] * self.capacity() * (self._extend_ratio - 1)
+    
+    """ 返回有效长度的列表 """
+    def to_array(self):
+        return self._nums[:self._size]
+
+
+"""
+Driver Code
+"""
+if __name__ == "__main__":
+    """ 初始化列表 """
+    list = MyList()
+    """ 尾部添加元素 """
+    list.add(1)
+    list.add(3)
+    list.add(2)
+    list.add(5)
+    list.add(4)
+    print("列表 list = {} ，容量 = {} ，长度 = {}"
+          .format(list.to_array(), list.capacity(), list.size()))
+
+    """ 中间插入元素 """
+    list.add(num=6, index=3)
+    print("在索引 3 处插入数字 6 ，得到 list =", list.to_array())
+
+    """ 删除元素 """
+    list.remove(3)
+    print("删除索引 3 处的元素，得到 list =", list.to_array())
+
+    """ 访问元素 """
+    num = list.get(1)
+    print("访问索引 1 处的元素，得到 num =", num)
+
+    """ 更新元素 """
+    list.set(0, 1)
+    print("将索引 1 处的元素更新为 0 ，得到 list =", list.to_array())
+
+    """ 测试扩容机制 """
+    for i in range(10):
+        # 在 i = 5 时，列表长度将超出列表容量，此时触发扩容机制
+        list.add(i)
+    print("扩容后的列表 list = {} ，容量 = {} ，长度 = {}"
+          .format(list.to_array(), list.capacity(), list.size()))
diff --git a/docs/chapter_array_and_linkedlist/array.md b/docs/chapter_array_and_linkedlist/array.md
index 12869a4..14a24ab 100644
--- a/docs/chapter_array_and_linkedlist/array.md
+++ b/docs/chapter_array_and_linkedlist/array.md
@@ -33,7 +33,9 @@ comments: true
 === "Python"
 
     ```python title="array.py"
-    
+    """ 初始化数组 """
+    arr = [0] * 5  # [ 0, 0, 0, 0, 0 ]
+    nums = [1, 3, 2, 5, 4]  
     ```
 
 ## 数组优点
@@ -74,7 +76,13 @@ elementAddr = firtstElementAddr + elementLength * elementIndex
 === "Python"
 
     ```python title="array.py"
-    
+    """ 随机访问元素 """
+    def randomAccess(nums):
+        # 在区间 [0, len(nums)) 中随机抽取一个数字
+        random_index = random.randint(0, len(nums))
+        # 获取并返回随机元素
+        random_num = nums[random_index]
+        return random_num
     ```
 
 ## 数组缺点
@@ -106,7 +114,15 @@ elementAddr = firtstElementAddr + elementLength * elementIndex
 === "Python"
 
     ```python title="array.py"
-    
+    """ 扩展数组长度 """
+    def extend(nums, enlarge):
+        # 初始化一个扩展长度后的数组
+        res = [0] * (len(nums) + enlarge)
+        # 将原数组中的所有元素复制到新数组
+        for i in range(len(nums)):
+            res[i] = nums[i]
+        # 返回扩展后的新数组
+        return res
     ```
 
 **数组中插入或删除元素效率低下。** 假设我们想要在数组中间某位置插入一个元素，由于数组元素在内存中是 “紧挨着的” ，它们之间没有空间再放任何数据。因此，我们不得不将此索引之后的所有元素都向后移动一位，然后再把元素赋值给该索引。删除元素也是类似，需要把此索引之后的元素都向前移动一位。总体看有以下缺点：
@@ -150,7 +166,19 @@ elementAddr = firtstElementAddr + elementLength * elementIndex
 === "Python"
 
     ```python title="array.py"
-    
+    """ 在数组的索引 index 处插入元素 num """
+    def insert(nums, num, index):
+        # 把索引 index 以及之后的所有元素向后移动一位
+        for i in range(len(nums) - 1, index - 1, -1):
+            nums[i] = nums[i - 1]
+        # 将 num 赋给 index 处元素
+        nums[index] = num
+
+    """ 删除索引 index 处元素 """
+    def remove(nums, index):
+        # 把索引 index 之后的所有元素向前移动一位
+        for i in range(index, len(nums) - 1):
+            nums[i] = nums[i + 1]
     ```
 
 ## 数组常用操作
@@ -183,7 +211,15 @@ elementAddr = firtstElementAddr + elementLength * elementIndex
 === "Python"
 
     ```python title="array.py"
-    
+    """ 遍历数组 """
+    def traverse(nums):
+        count = 0
+        # 通过索引遍历数组
+        for i in range(len(nums)):
+            count += 1
+        # 直接遍历数组
+        for num in nums:
+            count += 1
     ```
 
 **数组查找。** 通过遍历数组，查找数组内的指定元素，并输出对应索引。
@@ -210,7 +246,12 @@ elementAddr = firtstElementAddr + elementLength * elementIndex
 === "Python"
 
     ```python title="array.py"
-    
+    """ 在数组中查找指定元素 """
+    def find(nums, target):
+        for i in range(len(nums)):
+            if nums[i] == target:
+                return i
+        return -1
     ```
 
 ## 数组典型应用
diff --git a/docs/chapter_array_and_linkedlist/linked_list.md b/docs/chapter_array_and_linkedlist/linked_list.md
index 514034e..51da061 100644
--- a/docs/chapter_array_and_linkedlist/linked_list.md
+++ b/docs/chapter_array_and_linkedlist/linked_list.md
@@ -77,7 +77,18 @@ comments: true
 === "Python"
 
     ```python title=""
-    
+    """ 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 """
+    # 初始化各个结点 
+    n0 = ListNode(1)
+    n1 = ListNode(3)
+    n2 = ListNode(2)
+    n3 = ListNode(5)
+    n4 = ListNode(4)
+    # 构建引用指向
+    n0.next = n1
+    n1.next = n2
+    n2.next = n3
+    n3.next = n4
     ```
 
 ## 链表优点
@@ -118,7 +129,20 @@ comments: true
 === "Python"
 
     ```python title=""
-    
+    """ 在链表的结点 n0 之后插入结点 P """
+    def insert(n0, P):
+        n1 = n0.next
+        n0.next = P
+        P.next = n1
+
+    """ 删除链表的结点 n0 之后的首个结点 """
+    def remove(n0):
+        if not n0.next:
+            return
+        # n0 -> P -> n1
+        P = n0.next
+        n1 = P.next
+        n0.next = n1
     ```
 
 ## 链表缺点
@@ -148,7 +172,13 @@ comments: true
 === "Python"
 
     ```python title=""
-    
+    """ 访问链表中索引为 index 的结点 """
+    def access(head, index):
+        for _ in range(index):
+            head = head.next
+            if not head:
+                return None
+        return head
     ```
 
 **链表的内存占用多。** 链表以结点为单位，每个结点除了保存值外，还需额外保存指针（引用）。这意味着同样数据量下，链表比数组需要占用更多内存空间。
@@ -182,7 +212,15 @@ comments: true
 === "Python"
 
     ```python title=""
-    
+    """ 在链表中查找值为 target 的首个结点 """
+    def find(head, target):
+        index = 0
+        while head:
+            if head.val == target:
+                return index
+            head = head.next
+            index += 1
+        return -1
     ```
 
 ## 常见链表类型
@@ -214,7 +252,12 @@ comments: true
 === "Python"
 
     ```python title=""
-    
+    """ 双向链表结点类 """ 
+    class ListNode:
+        def __init__(self, x):
+            self.val = x      # 结点值
+            self.next = None  # 指向后继结点的指针（引用）
+            self.prev = None  # 指向前驱结点的指针（引用）
     ```
 
 ![linkedlist_common_types](linked_list.assets/linkedlist_common_types.png)
diff --git a/docs/chapter_array_and_linkedlist/list.md b/docs/chapter_array_and_linkedlist/list.md
index 4f584db..e630860 100644
--- a/docs/chapter_array_and_linkedlist/list.md
+++ b/docs/chapter_array_and_linkedlist/list.md
@@ -30,7 +30,8 @@ comments: true
 === "Python"
 
     ```python title="list.py"
-    
+    """ 初始化列表 """
+    list = [1, 3, 2, 5, 4]
     ```
 
 **访问与更新元素。** 列表的底层数据结构是数组，因此可以在 $O(1)$ 时间内访问与更新元素，效率很高。
@@ -54,7 +55,11 @@ comments: true
 === "Python"
 
     ```python title="list.py"
-    
+    """ 访问元素 """
+    num = list[1]  # 访问索引 1 处的元素
+
+    """ 更新元素 """
+    list[1] = 0    # 将索引 1 处的元素更新为 0
     ```
 
 **在列表中添加、插入、删除元素。** 相对于数组，列表可以自由地添加与删除元素。在列表尾部添加元素的时间复杂度为 $O(1)$ ，但是插入与删除元素的效率仍与数组一样低，时间复杂度为 $O(N)$ 。
@@ -88,7 +93,21 @@ comments: true
 === "Python"
 
     ```python title="list.py"
-    
+    """ 清空列表 """
+    list.clear()
+
+    """ 尾部添加元素 """
+    list.append(1)
+    list.append(3)
+    list.append(2)
+    list.append(5)
+    list.append(4)
+
+    """ 中间插入元素 """
+    list.insert(3, 6)  # 在索引 3 处插入数字 6
+
+    """ 删除元素 """
+    list.pop(3)        # 删除索引 3 处的元素
     ```
 
 **遍历列表。** 与数组一样，列表可以使用索引遍历，也可以使用 `for-each` 直接遍历。
@@ -118,7 +137,15 @@ comments: true
 === "Python"
 
     ```python title="list.py"
-    
+    """ 通过索引遍历列表 """
+    count = 0
+    for i in range(len(list)):
+        count += 1
+
+    """ 直接遍历列表元素 """
+    count = 0
+    for n in list:
+        count += 1
     ```
 
 **拼接两个列表。** 再创建一个新列表 `list1` ，我们可以将其中一个列表拼接到另一个的尾部。
@@ -140,7 +167,9 @@ comments: true
 === "Python"
 
     ```python title="list.py"
-    
+    """ 拼接两个列表 """
+    list1 = [6, 8, 7, 10, 9]
+    list += list1  # 将列表 list1 拼接到 list 之后
     ```
 
 **排序列表。** 排序也是常用的方法之一，完成列表排序后，我们就可以使用在数组类算法题中经常考察的「二分查找」和「双指针」算法了。
@@ -161,7 +190,8 @@ comments: true
 === "Python"
 
     ```python title="list.py"
-    
+    """ 排序列表 """
+    list.sort()  # 排序后，列表元素从小到大排列
     ```
 
 ## 列表简易实现 *
@@ -189,12 +219,12 @@ comments: true
             nums = new int[initialCapacity];
         }
 
-        /* 获取列表容量 */
+        /* 获取列表长度（即当前元素数量）*/
         public int size() {
             return size;
         }
 
-        /* 获取列表长度（即当前元素数量） */
+        /* 获取列表容量 */
         public int capacity() {
             return nums.length;
         }
@@ -269,5 +299,60 @@ comments: true
 === "Python"
 
     ```python title="my_list.py"
-    
+    """ 列表类简易实现 """
+    class MyList:
+        """ 构造函数 """
+        def __init__(self):
+            self._initial_capacity = 10               # 列表初始容量
+            self._nums = [0] * self._initial_capacity # 数组（存储列表元素）
+            self._size = 0                            # 列表长度（即当前元素数量）
+            self._extend_ratio = 2                    # 每次列表扩容的倍数
+
+        """ 获取列表长度（即当前元素数量） """
+        def size(self):
+            return self._size
+        
+        """ 获取列表容量 """
+        def capacity(self):
+            return len(self._nums)
+        
+        """ 访问元素 """
+        def get(self, index):
+            # 索引如果越界则抛出异常，下同
+            assert index < self._size, "索引越界"
+            return self._nums[index]
+
+        """ 更新元素 """
+        def set(self, num, index):
+            assert index < self._size, "索引越界"
+            self._nums[index] = num
+
+        """ 中间插入元素 """
+        def add(self, num, index=-1):
+            assert index < self._size, "索引越界"
+            if index == -1:
+                index = self._size
+            # 元素数量超出容量时，触发扩容机制
+            if self._size == self.capacity():
+                self.extend_capacity()
+            # 索引 i 以及之后的元素都向后移动一位
+            for j in range(self._size - 1, index - 1, -1):
+                self._nums[j + 1] = self._nums[j]
+            self._nums[index] = num
+            # 更新元素数量
+            self._size += 1
+
+        """ 删除元素 """
+        def remove(self, index):
+            assert index < self._size, "索引越界"
+            # 索引 i 之后的元素都向前移动一位
+            for j in range(index, self._size - 1):
+                self._nums[j] = self._nums[j + 1]
+            # 更新元素数量
+            self._size -= 1
+
+        """ 列表扩容 """
+        def extend_capacity(self):
+            # 新建一个长度为 self._size 的数组，并将原数组拷贝到新数组
+            self._nums = self._nums + [0] * self.capacity() * (self._extend_ratio - 1)
     ```