栈与队列--python

原创已于 2024-09-01 08:18:45 修改 · 762 阅读

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于 2024-08-30 15:42:43 首次发布

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Conda

Python

Python 是一种高级、解释型、通用的编程语言，以其简洁易读的语法而闻名，适用于广泛的应用，包括Web开发、数据分析、人工智能和自动化脚本

一、栈

1、概述

一种先入后出的线性数据结构，类似于叠盘子，先放下的盘子得最后才能拿到。在最上面的盘子我们称为栈顶，在最底下的盘子我们称为栈底，将盘子添加到栈顶的操作叫做入栈，将盘子从栈顶抽走的操作叫做出栈。

将上述的盘子替换为元素，就是我们常说的栈了。

2、常见操作

常见的操作一般是入栈，出栈，访问栈顶元素。

# 初始化一个栈
stack: list[int] = []

# 元素入栈
stack.append(1)
stack.append(2)
stack.append(3)
stack.append(4)
stack.append(5)
stack.append(6)

# 访问栈顶元素
peek: int = stack[-1]

# 元素出栈
pop: int = stack.pop()

# 获取栈的长度
size: int = len(stack)

# 判空
is_empty: bool = len(stack) == 0

3、实现

因为栈遵循先入后出的原则，因此我们只能对栈顶的元素进行操作，包括添加、删除动作，而我们熟悉的两种数据结构都可以在任意的位置添加和删除元素，所以我们在模拟栈的时候，一般将其功能做一定的限制，将栈不能实现的功能给禁用掉，使他对外表现的逻辑符合栈的特性。

(一)链表实现

概述

在用链表实现时，我们可以用链表的头节点作为栈顶，尾节点作为栈底。入栈时，我们只需要将元素加入到链表头部，出栈时，我们只需要将元素从链表头部删除。

例如

class ListNode():
    def __init__(self, val):
        self.val = val
        self.next : ListNode | None = None
        self._size = 0


# 基于链表实现栈的效果，链表需要提前定义好
class LinkListStack():
    def __init__(self):
        self._head: ListNode | None = None
        self._size: int = 0


    # 获得栈的长度
    def get_size(self) -> int:
        return self._size


    # 判断栈是否为空
    def is_empty(self) -> bool:
        return self._size == 0


    # 入栈
    def push_ele(self, val):
        node = ListNode(val)
        node._head = node
        node._size += 1


    # 栈顶元素
    def head(self):
        if self.is_empty():
            raise IndexError('栈为空，无元素')
        return self._head.val


    # 出栈
    def pop_ele(self):
        num = self.head()
        self._head = self._head.next
        self._size -= 1
        return num

    # 转化为列表用于打印
    def to_list(self):
        arr = []
        node = self._head
        while node:
            arr.append(node.val)
            node = node.next
        arr.reverse()
        return arr

(二)数组实现

概述

使用数组实现栈，可以将数组的结尾作为栈顶，入栈就是在尾部加入一个元素，出栈就是在尾部删除一个元素。

代码

# 数组实现
class ArrayStack():
    # 定义数组
    def __init__(self):
        self._stack: list[int] = []

    # 查询长度
    def size(self):
        return len(self._stack)

    # 判空
    def is_empty(self):
        return self.size() == 0

    # 入栈
    def get_push(self, item):
        self._stack.append(item)

    # 出栈
    def get_pop(self):
        if self.is_empty():
            raise IndexError('栈为空，无元素')
        return self._stack.pop()

    # 获得栈顶元素
    def head(self):
        if self.is_empty():
            raise IndexError('栈为空，无元素')
        return self._stack[-1]

    # 打印
    def to_list(self):
        return self._stack

二、队列

1、概述

队列是一种先入先出的线性数据结构，类似于我们生活中的排队，先排队的人先离开，后排队的人后离开。队伍的头部我们称为队首，队伍的尾部我们称为队尾，加入队伍尾部我们称为入队，删除队伍头部我们称为出队。

2、常见操作

一般是元素入队，元素出队，访问队首元素。

因为python中自带了双向队列，所以我们直接引用双向队列来模拟队列。

from collections import deque
# 初始化
que = deque()

que.append(1)
que.append(2)
que.append(3)
que.append(4)
que.append(5)
# 队首元素
first = que[0]
# 元素出队
pop = que.popleft()
# 长度
size = len(que)
# 判空
is_empty = (len(que) == 0)

3、实现

(一)、链表实现

概述

链表的头结点表示队首，链表的尾结点表示队尾。队尾只能添加元素，队首只能删除元素。

代码

# 定义链表
class ListNode():
    def __init__(self, val):
        self.val = val
        self.next : ListNode | None = None
        self._size = 0

# 链表实现
class LinkListQueue():
    def __init__(self):
        self._front: ListNode | None = None
        self._rear: ListNode | None = None
        self._size: int = 0

    # 获取长度
    def size(self):
        return self._size

    # 判空
    def is_empty(self):
        return self._size == 0

    # 入队
    def get_push(self, num):
        # 在尾结点后加
        node = ListNode(num)
        # 如果本身是空的，则头尾都指向该元素
        if self._front is None:
            self._front = node
            self._rear = node
        # 如果队列不是空，则加到尾结点
        else:
            self._rear.next = node
            self._rear = node
        self._size += 1

    # 出队
    def get_pop(self):
        num = self.head()
        self._front = self._front.next
        self._size -= 1
        return num

    # 队首元素
    def head(self):
        if self.is_empty():
            raise IndexError('队列为空')

    # 转为列表输出
    def to_list(self):
        queue = []
        tmp = self._front
        while self._front:
            queue.append(tmp.val)
            tmp = tmp.next
        return queue

(二)数组实现

概述

数组删除元素不如链表方便，时间复杂度在O(n)，我们可以采用一种取巧的方式来避免这种情况，也就是设置两个指针，front和rear，分别指向队列的首个元素和最后一个元素。这样的话可以实现在删除时，通过直接移动队首指针，不体现删除元素的方式来模拟队列。

代码

class ArrayQueue():
    def __init__(self, size):
        self._nums: list[int] = [0] * size
        self._front: int = 0
        self._size: int = 0

    # 获取队列的容量
    def how_many(self):
        return self._size

    # 获取队列的长度
    def size(self):
        return self._size

    # 判空
    def is_empty(self):
        return self._size == 0

    # 入队
    def get_push(self, num):
        if self._size == self.how_many():
            raise IndexError('队列已经满了嗷~')
        rear = (self._front + self._size) % self.how_many()
        self._nums[rear] = num
        self._size += 1

    # 出队
    def get_pop(self):
        num = self.head()
        self._front = (self._front + 1) % self.how_many()
        self._size -= 1
        return num

    # 获得队首
    def head(self):
        if self.is_empty():
            raise IndexError('队列是空的嗷~')
        return self._nums[self._front]

    # 输出
    def to_list(self):
        res = [0] * self.size()
        j = self._front
        for i in range(self.size()):
            res[i] = self._nums[(j % self.how_many())]
            j += 1
        return res

三、双向队列

1、概述

队列中我们只能，对队列的队首做删除，对队尾做添加动作，而双向队列更加灵活，可以对队首或者队尾做删除或者添加动作。

2、常见操作

获取队首元素，获取队尾元素，删除队首元素，删除队尾元素，增加队首元素，增加队尾元素

# 双向队列
deq = deque()
# 添加至队尾
deq.append(1)       
deq.append(2)
# 添加至队首
deq.appendleft(3)   
deq.appendleft(4)
# 队首元素
front = deq[0]      
# 队尾元素
rear = deq[-1]      
# 队首出队
get_pop_front = deq.popleft() 
# 队尾出队
get_pop_rear = deq.pop()      
# 获取长度
lenth = len(deq)  
# 判空
is_empty: bool = (len(deq) == 0)

3、实现

(一)、链表实现

# 双向队列--链表实现
# 创建链表结点
class ListNode():
    def __init__(self, val):
        self.val = val
        self.next : ListNode | None = None
        self.prev : ListNode | None = None
        self._size = 0


class LinkListDeque():
    # 定义结点
    def __init__(self):
        self._front: ListNode | None = None
        self._rear: ListNode | None = None
        self._size = 0

    # 长度
    def size(self):
        return self._size

    # 判空
    def is_empty(self):
        return self._size == 0

    # 入队
    def get_push(self, num, is_front):
        node = ListNode(num)
        if self.is_empty():
            self._front = self._rear = node
        elif is_front:
            self._front.next = node
            node.next = self._front
            self._front = node
        else:
            self._rear.next = node
            node.prev = self._rear
            self._rear = node
        self._size += 1

    # 队首入队
    def get_push_front(self, num):
        self.get_push(num, True)

    # 队尾入队
    def get_push_rear(self, num):
        self.get_push(num, False)

    # 出队
    def get_pop(self, is_front):
        if self.is_empty():
            raise IndexError('双向队列为空~')
        if is_front:
            val = self._front.val
            fnext: ListNode | None = self._front.next
            if fnext != None:
                fnext.prev = None
                self._front.next = None
            self._front = fnext
        else:
            val = self._rear.val
            rprev: ListNode | None = self._rear.prev
            if rprev != None:
                rprev.prev = None
                self._rear.next = None
            self._rear = rprev
        self._size -= 1
        return val

    # 队首出队
    def get_pop_front(self):
        return self.get_pop(True)

    # 队尾出队
    def get_pop_rear(self):
        return self.get_pop(False)

    # 获得队首
    def peek_front(self):
        if self.is_empty():
            raise IndexError('双向队列为空~')
        return self._front.val

    # 获得队尾
    def peek_rear(self):
        if self.is_empty():
            raise IndexError('双向队列为空~')
        return self._rear.val

    # 返回打印
    def to_array(self):
        node = self._front
        res = [0] * self.size()
        for i in range(self.size()):
            res[i] = node.val
            node = node.next
        return res

(二)、数组实现

# 环形数组实现双向队列
class ArrayDeque():
    def __init__(self, how_many):
        self._nums = [0] * how_many
        self._front = 0
        self._size = 0

    # 容量
    def how_many(self):
        return len(self._nums)

    # 大小
    def size(self):
        return self._size

    # 判空
    def is_empty(self):
        return self._size == 0

    # 获取当前位置
    def index(self, i):
        res = (i + self.how_many()) % self.how_many()
        return res

	# 加入队首
    def get_push_front(self, num):
        if self._size == self.how_many():
            print('双向队列满了~')
            return
        self._front = self.index(self._front - 1)
        self._nums[self._front] = num
        self._size += 1

	# 加入队尾
    def get_push_rear(self, num):
        if self._size == self.how_many():
            print('双向队列满了~')
            return
        rear = self.index(self._front + self._size)
        self._nums[rear] = num
        self._size += 1

	# 删除队首
    def get_pop_front(self):
        num = self.peek_front()
        self._front = self.index(self._front + 1)
        self._size -= 1
        return num
	
	# 删除队尾
    def get_pop_rear(self):
        num = self.peek_rear()
        self._size -= 1
        return num
	
	# 获得队首
    def peek_front(self):
        if self.is_empty():
            raise IndexError('双向队列为空~')
        return self._nums[self._front]

	# 获得队尾
    def peek_rear(self):
        if self.is_empty():
            raise IndexError('双向队列为空~')
        rear = self.index(self._front + self._size - 1)
        return self._nums[rear]

	# 做数组输出
    def to_array(self):
        res = []
        for i in range(self._size):
            res.append(self._nums[self.index(self._front + i)])
        return res