4. 링크드 리스트

대표적인 데이터 구조: 링크드 리스트 (Linked List)

1. 링크드 리스트 (Linked List) 구조

• 연결 리스트라고도 함

• 배열은 순차적으로 연결된 공간에 데이터를 나열하는 데이터 구조

• 링크드 리스트는 떨어진 곳에 존재하는 데이터를 화살표로 연결해서 관리하는 데이터 구조 (배열과 달리 미리 공간을 예약하지 않고 필요할 때마다 추가할 수 있다.)

• 본래 C언어에서는 주요한 데이터 구조이지만, 파이썬은 리스트 타입이 링크드 리스트의 기능을 모두 지원

• 링크드 리스트 기본 구조와 용어

  • 노드(Node): 데이터 저장 단위 (데이터값, 포인터) 로 구성
  • 포인터(pointer): 각 노드 안에서, 다음이나 이전의 노드와의 연결 정보를 가지고 있는 공간

* 일반적인 링크드 리스트 형태 (출처: wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Linked_list)

배열은 공간이 정해져 있기에 C를 추가할 수 없지만 링크드 리스트는 공간과 상관없이 데이터를 추가해 줄 수 있다 (이때 마지막 노드의 포인터는 null이 된다)

뒤에 데이터를 추가한다면?

이와 같이 C라는 값이 들어있는 노드를 만들어서 C데이터 주소값을 그전 노드의 포인터에 집어넣어준다.

2. 간단한 링크드 리스트 예

Node 구현

• 보통 파이썬에서 링크드 리스트 구현시, 파이썬 클래스를 활용함
  • 파이썬 객체지향 문법 이해 필요

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

Node와 Node 연결하기 (포인터 활용)

node1 = Node(1)
node2 = Node(2)
node1.next = node2   # 링크드 리스트에서 데이터 탐색시, 가장 맨앞 노드는 알고 있어야함
head = node1 	     # 이 코드만 보면 node1이 가장 맨앞 노드이기에 별도로 head에 node1의 주소값을 넣어줌

링크드 리스트로 데이터 추가하기

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

def add(data):
    node = head
    while node.next:       # 끝 값을 찾기위해 노드에 다음주소값이 저장되있는지 반복 확인
        node = node.next
    node.next = Node(data) # 끝값 에 도달하면 data라는 인자를 받는 Node객체를 생성
    
node1 = Node(1)
head = node1
for index in range(2, 10):
    add(index)
    
# 링크드 리스트 데이터 출력하기 (검색하기)
node = head
while node.next:
    print(node.data)
    node = node.next
print (node.data)          # 마지막 노드의 데이터 출력

👉result

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3. 링크드 리스트의 장단점 (전통적인 C언어에서의 배열과 링크드 리스트)

• 장점
  • 미리 데이터 공간을 미리 할당하지 않아도 됨
    • 배열은 미리 데이터 공간을 할당 해야 함
• 단점
  • 연결을 위한 별도 데이터 공간이 필요하므로, 저장공간 효율이 높지 않음
  • 연결 정보를 찾는 시간이 필요하므로 접근 속도가 느림(배열과 달리 인덱스가 없기 때문)
  • 중간 데이터 삭제시, 앞뒤 데이터의 연결을 재구성해야 하는 부가적인 작업 필요

4. 링크드 리스트의 복잡한 기능1 (링크드 리스트 데이터 사이에 데이터를 추가)

• 링크드 리스트는 유지 관리에 부가적인 구현이 필요함

(출처: wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Linked_list)

# 위에서 구현한 값이 1~9 노드를 그대로 가져온다
node3 = Node(1.5)        # 삽입할 노드 생성

node = head
search = True
while search:
    if node.data == 1:
        search = False
    else:
        node = node.next

node_next = node.next
node.next = node3
node3.next = node_next

node = head
while node.next:
    print(node.data)
    node = node.next
print (node.data)

👉result

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데이터 삽입시 노드 주소 변경과정을 그림으로 그려 보았다.

5. 파이썬 객체지향 프로그래밍으로 링크드 리스트 구현하기

class Node:
    def __init__(self, data, next=None):
        self.data = data
        self.next = next
    
class NodeMgmt: # 노드 관리할 수 있는 management class 생성
    def __init__(self, data):
        self.head = Node(data) # 맨앞 주소 값을 알고 있어야 링크드 리스트 탐색 또는 추가, 삭제가 가능
        
    def add(self, data): 		# 해당 링크드 리스트의 맨 끝에 데이터를 추가
        if self.head == '': 		# 일어날 일은 없지만, 만약에 헤드 값이 없다면
            self.head = Node(data) 	# 방어코드의 일환으로 해당 data를 head에 넣어준다.
        else: 				# 대부분은 else로 넘어올 것이다.
            node = self.head
            while node.next:
                node = node.next
            node.next = Node(data)	# 끝 node.next는 none이므로 해당 data의 주소를 넘겨준다.
        
    def desc(self): # 해당 링크드 리스트의 전체 데이터 출력 (순회 한다.)
        node = self.head
        while node:
            print (node.data)
            node = node.next
            
linkedlist1 = NodeMgmt(0)
linkedlist1.desc()
for data in range(1, 10):
    linkedlist1.add(data)
linkedlist1.desc()

👉result

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6. 링크드 리스트의 복잡한 기능2 (특정 노드를 삭제)

• 다음 코드는 위의 코드에서 delete 메서드만 추가한 것이므로 해당 메서드만 확인하면 됨

class Node:
    def __init__(self, data, next=None):
        self.data = data
        self.next = next
    
class NodeMgmt:
    def __init__(self, data):
        self.head = Node(data)
        
    def add(self, data):
        if self.head == '':
            self.head = Node(data)
        else:
            node = self.head
            while node.next:
                node = node.next
            node.next = Node(data)
        
    def desc(self):
        node = self.head
        while node:
            print (node.data)
            node = node.next
    
    def delete(self, data):
        if self.head == '': 			   # 방어 코드
            print ("해당 값을 가진 노드가 없습니다.")
            return
        
        if self.head.data == data:		   ##### 1. Head를 삭제하는 경우
            temp = self.head
            self.head = self.head.next
            del temp 				   # 객체 삭제는 'del 해당객체 주소값' 을 해주면 된다. 
        else:
            node = self.head 			   ##### 2. 중간 노드, 마지막 노드 삭제하는 경우
            while node.next:
                if node.next.data == data:
                    temp = node.next
                    node.next = node.next.next
                    del temp 
                    return
                else:
                    node = node.next

중간 노드 삭제 과정을 그림으로 그려보았다.

마지막 노드 삭제 과정을 그림으로 그려보았다.

테스트를 위해 1개 노드를 만들어 봄

linkedlist1 = NodeMgmt(0)
linkedlist1.desc()

👉result

0

head 가 살아있음을 확인

print(linkedlist1.head)

👉result

<__main__.Node at 0x1099fc6a0>

head 를 지워봄(위에서 언급한 경우의 수1)

linkedlist1.delete(0)

다음 코드 실행시 아무것도 안나온다는 것은 linkedlist1.head 가 정상적으로 삭제되었음을 의미

print(linkedlist1.head)

👉result

# 아무것도 안나옴

다시 하나의 노드를 만들어봄

linkedlist1 = NodeMgmt(0)
linkedlist1.desc()

👉result

0

이번엔 여러 노드를 더 추가해봄

for data in range(1, 10):
    linkedlist1.add(data)
linkedlist1.desc()

👉result

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노드 중에 한개를 삭제함 (위에서 언급한 경우의 수2)

linkedlist1.delete(4)

특정 노드가 삭제되었음을 알 수 있음

linkedlist1.desc()

👉result

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또 삭제 해보면

linkedlist1.delete(9)
linkedlist1.desc()

👉result

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linkedlist1.delete(2)
linkedlist1.desc()

👉result

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

class NodeMgmt:
    def __init__(self, data):
        self.head = Node(data)
    
    def add(self, data):
        if self.head == '':
            self.head = Node(data)
        else:
            node = self.head
            while node.next:
                node = node.next
            node.next = Node(data)

    def desc(self):
        node = self.head
        while node:
            print (node.data)
            node = node.next

    def delete(self, data):
        if self.head == '':
            print ('해당 값을 가진 노드가 없습니다.')
            return
        if self.head.data == data: # 경우의 수1: self.head를 삭제해야할 경우 - self.head를 바꿔줘야 함
            temp = self.head       # self.head 객체를 삭제하기 위해, 임시로 temp에 담아서 객체를 삭제했음
            self.head = self.head.next # 만약 self.head 객체를 삭제하면, 이 코드가 실행이 안되기 때문!
            del temp
        else:
            node = self.head
            while node.next: # 경우의 수2: self.head가 아닌 노드를 삭제해야할 경우
                if node.next.data == data:
                    temp = node.next
                    node.next = node.next.next       
                    del temp                         
                    pass                             
                else:
                    node = node.next
                    
    def search_node(self, data):
        node = self.head
        while node:
            if node.data == data:
                return node
            else:
                node = node.next

# 테스트
node_mgmt = NodeMgmt(0)
for data in range(1, 10):
    node_mgmt.add(data)

node = node_mgmt.search_node(4)
print (node.data)

👉result

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7. 다양한 링크드 리스트 구조

• 더블 링크드 리스트(Doubly linked list) 기본 구조
  • 이중 연결 리스트라고도 함
  • 장점: 양방향으로 연결되어 있어서 노드 탐색이 양쪽으로 모두 가능
    
    
    
    (출처: wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Linked_list)

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

class NodeMgmt:
    def __init__(self, data):
        self.head = Node(data)
        self.tail = self.head

    def insert(self, data):
        if self.head == None:
            self.head = Node(data)
            self.tail = self.head
        else:
            node = self.head
            while node.next:
                node = node.next
            new = Node(data)
            node.next = new
            new.prev = node
            self.tail = new

    def desc(self):
        node = self.head
        while node:
            print (node.data)
            node = node.next