线性数据结构---队列，栈 随笔

Posted 2022-11-02 anthony-wang0228

我们从四个简单但重要的概念开始研究数据结构。栈，队列，deques（双向队列）, 列表是一类数据的容器，它们数据元素之间的顺序由添加或删除的顺序决定。一旦一个数据元素被添加，它相对于前后元素一直保持该位置不变。诸如此类的数据结构被称为线性数据结构。

　　线性数据结构有两端，有时被称为左右，某些情况被称为前后。你也可以称为顶部和底部，名字都不重要。将两个线性数据结构区分开的方法是添加和移除元素的方式，特别是添加和移除元素的位置。例如一些结构允许从一端添加元素，另一些允许从另一端移除元素。

 

 

栈

 

概念：栈（有时称为“后进先出栈”）是一个元素的有序集合，其中添加移除新元素总发生在同一端。这一端通常称为“顶部”。与顶部对应的端称为“底部”。栈的底部很重要，因为在栈中靠近底部的元素是存储时间最长的。最近添加的元素是最先会被移除的。这种排序原则有时被称为 LIFO，后进先出。它基于在集合内的时间长度做排序。较新的项靠近顶部，较旧的项靠近底部。

　　案例：栈的例子很常见。几乎所有的自助餐厅都有一堆托盘或盘子，你从顶部拿一个，就会有一个新的托盘给下一个客人。想象桌上有一堆书, 只有顶部的那本书封面可见，要看到其他书的封面，只有先移除他们上面的书。

栈的分析与应用：

　　　- 分析：和栈相关的最有用的想法之一来自对它的观察。假设从一个干净的桌面开始，现在把书一本本叠起来，你在构造一个栈。考虑下移除一本书会发生什么。移除的顺序跟刚刚被放置的顺序相反。栈之所以重要是因为它能反转项的顺序。插入跟删除顺序相反。

　　　- 应用：每个 web 浏览器都有一个返回按钮。当你浏览网页时，这些网页被放置在一个栈中（实际是网页的网址）。你现在查看的网页在顶部，你第一个查看的网页在底部。如果按‘返回’按钮，将按相反的顺序浏览刚才的页面。

Python实现栈

栈的抽象数据类型应该由以下结构和操作定义。栈操作如下：　

• Stack() 创建一个空的新栈。 它不需要参数，并返回一个空栈。
• push(item)将一个新项添加到栈的顶部。它需要 item 做参数并不返回任何内容。
• pop() 从栈中删除顶部项。它不需要参数并返回 item 。栈被修改。
• peek() 从栈返回顶部项，但不会删除它。不需要参数。 不修改栈。
• isEmpty() 测试栈是否为空。不需要参数，并返回布尔值。
• size() 返回栈中的 item 数量。不需要参数，并返回一个整数。

　　代码实现：

　　Python 中的列表类提供了有序集合机制和一组方法。例如，如果我们有列表 [2,5,3,6,7,4]，我们只需要确定列表的哪一端将被认为是栈的顶部。一旦确定，可以使用诸如 append 和 pop 的列表方法来实现操作。

# 创建栈
class Stack():
    def __init__(self):
        self.items = []
        
    # 入栈(压栈)
    def push(self,item):
        self.items.append(item)
        
    # 出栈
    def pop(self):
        return self.items.pop()
    
    # 栈指针回到栈顶部
    def peek(self):
        return len(self.items) - 1
    
    # 判断栈是否为空，空返回Ture,否则为False
    def isEmpty(self):
        return self.items == []
    
    # 获取栈长度
    def size(self):
        return len(self.items)

　　测试应用：

from basic.stack import Stack

s=Stack()

print(s.isEmpty())
s.push(4)
s.push(‘dog‘)
print(s.peek())
s.push(True)
print(s.size())
print(s.isEmpty())
s.push(8.4)
print(s.pop())
print(s.pop())
print(s.size())

栈的应用实例(URL存放机制)

　　模拟网站url地址存放机制：

s = Stack()

# 点击进入一个新的网页
def getRequest(url):
    s.push(url)
    
# 查看当前网页
def showCurenrUrl():
    print(‘当前页面展示的url：‘+s.pop())
   
# 回退到前一个网页
def back():
    print(‘回退按钮点击后显示的url：‘,s.pop())


getRequest(‘www.1.com‘)
getRequest(‘www.2.com‘)
getRequest(‘www.3.com‘)

showCurenrUrl()
back()
back()
# 结果：>>>

当前页面展示的url：www.3.com
回退按钮点击后显示的url： www.2.com
回退按钮点击后显示的url： www.1.com

双端队列（Deque）

　　概念：deque（也称为双端队列）是与队列类似的项的有序集合。它有两个端部，首部和尾部，并且项在集合中保持不变。

　　特性：deque 特殊之处在于添加和删除项是非限制性的。可以在前面或后面添加新项。同样，可以从任一端移除现有项。在某种意义上，这种混合线性结构提供了单个数据结构中的栈和队列的所有能力。

　　注意：即使 deque 可以拥有栈和队列的许多特性，它不需要由那些数据结构强制的 LIFO 和 FIFO 排序。这取决于你如何持续添加和删除操作。

Python实现Deque

　　Deque的抽象数据类型应该由以下结构和操作定义。其中元素可以从首部或尾部的任一端添加和移除。Deque操作如下：

• • Deque() 创建一个空的新 deque。它不需要参数，并返回空的 deque。
  • addFront(item) 将一个新项添加到 deque 的首部。它需要 item 参数 并不返回任何内容。
  • addRear(item) 将一个新项添加到 deque 的尾部。它需要 item 参数并不返回任何内容。
  • removeFront() 从 deque 中删除首项。它不需要参数并返回 item。deque 被修改。
  • removeRear() 从 deque 中删除尾项。它不需要参数并返回 item。deque 被修改。
  • isEmpty() 测试 deque 是否为空。它不需要参数，并返回布尔值。
  • size() 返回 deque 中的项数。它不需要参数，并返回一个整数。

 　　创建双端队列：

# 创建双端队列
class Dequeue():
    def __init__(self):
        self.items = []
        
    # 从队列头部插入数据
    def addFont(self,item):
        self.items.insert(0,item)
        
    # 从队列尾部插入数据
    def addRear(self,item):
        self.items.append(item)
        
    # 队头取出元素
    def removeFont(self):
        return self.items.pop()
    
    # 队尾取元素
    def removeRear(self):
        return self.items.pop(0)
    
    # 获取队列长度
    def size(self):
        return len(self.items)

　　队列测试：

q = Dequeue()
q.addFont(1)
q.addFont(2)
q.addFont(3)

# print(q.removeFont())
# print(q.removeFont())
# print(q.removeFont())
print(q.removeRear())
print(q.removeRear())
print(q.removeRear())

# 结果>>>
3
2
1

 

双端队列的应用案例(回文检查)

　　回文检测：设计程序，检测一个字符串是否为回文。

　　回文：回文是一个字符串，读取首尾相同的字符，例如，radar toot madam。

　　分析：该问题的解决方案将使用 deque 来存储字符串的字符。我们从左到右处理字符串，并将每个字符添加到 deque 的尾部。在这一点上，deque 像一个普通的队列。然而，我们现在可以利用 deque 的双重功能。 deque 的首部保存字符串的第一个字符，deque 的尾部保存最后一个字符。我们可以直接删除并比较首尾字符，只有当它们匹配时才继续。如果可以持续匹配首尾字符，我们最终要么用完字符，要么留出大小为 1 的deque，取决于原始字符串的长度是偶数还是奇数。在任一情况下，字符串都是回文。

 

 

class Dequeue():
    def __init__(self):
        self.items = []

    def addFront(self,item):
        self.items.insert(0,item)

    def addRear(self,item):
        self.items.append(item)

    def removeFront(self):
        return self.items.pop()
    def removeRear(self):
        return self.items.pop(0)

    def size(self):
        return len(self.items)



def isHuiWen(s):
    de = Dequeue()
    ex = True
    for sr in s:
        de.addFront(sr)

    while de.size() > 1:
        if de.removeFront() != de.removeRear():
            ex = False
            break

    return ex

print(isHuiWen("abcba"))

 

 

队列的应用实例(烫手的山芋)

　　实验规则：烫手山芋游戏介绍：6个孩子围城一个圈，排列顺序孩子们自己指定。第一个孩子手里有一个烫手的山芋，需要在计时器计时1秒后将山芋传递给下一个孩子，依次类推。规则是，在计时器每计时7秒时，手里有山芋的孩子退出游戏。该游戏直到剩下一个孩子时结束，最后剩下的孩子获胜。请使用队列实现该游戏策略，排在第几个位置最终会获胜。

　　分析：

• 为了模拟这个圈，我们可以使用队列。假设游戏开始时，排在队列中的第一个（队首）的孩子手里拿着山芋。游戏开始后，拿着山芋的孩子出队列然后再入队列，将山芋传递给下一个孩子。每当山芋到队首孩子手里后，队首的孩子先出队列再入队列，依次类推。当传递六次后，手里有山芋的孩子淘汰，游戏继续，继续传递山芋。
• 手里有山芋的孩子淘汰后，队列指针指向下一个孩子，保证手里有山芋的孩子永远站在队列的头部

　　代码实现：

q = Queue()
kids = [‘A‘,‘B‘,‘C‘,‘D‘,‘E‘,‘F‘]

# 进队列(循环队列)
for kid in kids:
    q.enqueue(kid)

# 队列中剩最后一个孩子则跳出循环，孩子获胜
while q.size() > 1:
    # 内层循环是用来将手里有山芋的孩子排在队头
    # 每次计时器到时，删除当前孩子，则指针指向的下一个孩子位置
    # 每次计时，循环队列
    for i in range(6):
        # 删除队列最后一个孩子
        kid = q.dequeue()
        # 删除的孩子重新添加在队首位置，实现队列循环
        q.enqueue(kid)
    # 6s计时到时，删除最后一个孩子，指针指向下一个孩子
    q.dequeue()

# 打印最后获胜的孩子
print(q.dequeue())

# 孩子E获胜，留下的最后一个孩子
# 结果>>>E

Python实现队列

　　队列的抽象数据类型应该由以下结构和操作定义。队列操作如下：

• • Queue() 创建一个空的新队列。 它不需要参数，并返回一个空队列。
  • enqueue(item) 将新项添加到队尾。 它需要 item 作为参数，并不返回任何内容。
  • dequeue() 从队首移除项。它不需要参数并返回 item。 队列被修改。
  • isEmpty() 查看队列是否为空。它不需要参数，并返回布尔值。
  • size() 返回队列中的项数。它不需要参数，并返回一个整数。

class Queue():
    def __init__(self):
        self.items = []
    
    # 队列插入元素(左端)
    def enqueue(self,item):
        self.items.insert(0,item)
        
    # 队列删除元素(右端)
    def dequeue(self):
        return self.items.pop()
    
    # 判断队列是否为空，空返回True，否则返回False
    def isEmpty(self):
        return self.items == []
    
    # 返回队列长度
    def size(self):
        return len(self.items)

　　队列测试：

>>> q.size()
3
>>> q.isEmpty()
False
>>> q.enqueue(8.4)
>>> q.dequeue()
4
>>> q.dequeue()
‘dog‘
>>> q.size()
2