線性數據結構---隊列，棧 隨筆

咱們從四個簡單但重要的概念開始研究數據結構。棧，隊列，deques（雙向隊列）, 列表是一類數據的容器，它們數據元素之間的順序由添加或刪除的順序決定。一旦一個數據元素被添加，它相對於先後元素一直保持該位置不變。諸如此類的數據結構被稱爲線性數據結構。

　　線性數據結構有兩端，有時被稱爲左右，某些狀況被稱爲先後。你也能夠稱爲頂部和底部，名字都不重要。將兩個線性數據結構區分開的方法是添加和移除元素的方式，特別是添加和移除元素的位置。例如一些結構容許從一端添加元素，另外一些容許從另外一端移除元素。

 

 

棧

 

概念：棧（有時稱爲「後進先出棧」）是一個元素的有序集合，其中添加移除新元素總髮生在同一端。這一端一般稱爲「頂部」。與頂部對應的端稱爲「底部」。棧的底部很重要，由於在棧中靠近底部的元素是存儲時間最長的。最近添加的元素是最早會被移除的。這種排序原則有時被稱爲 LIFO，後進先出。它基於在集合內的時間長度作排序。較新的項靠近頂部，較舊的項靠近底部。

　　案例：棧的例子很常見。幾乎全部的自助餐廳都有一堆托盤或盤子，你從頂部拿一個，就會有一個新的托盤給下一個客人。想象桌上有一堆書, 只有頂部的那本書封面可見，要看到其餘書的封面，只有先移除他們上面的書。

棧的分析與應用：

　　　- 分析：和棧相關的最有用的想法之一來自對它的觀察。假設從一個乾淨的桌面開始，如今把書一本本疊起來，你在構造一個棧。考慮下移除一本書會發生什麼。移除的順序跟剛剛被放置的順序相反。棧之因此重要是由於它能反轉項的順序。插入跟刪除順序相反。

　　　- 應用：每一個 web 瀏覽器都有一個返回按鈕。當你瀏覽網頁時，這些網頁被放置在一個棧中（實際是網頁的網址）。你如今查看的網頁在頂部，你第一個查看的網頁在底部。若是按‘返回’按鈕，將按相反的順序瀏覽剛纔的頁面。

Python實現棧

棧的抽象數據類型應該由如下結構和操做定義。棧操做以下：　

• Stack() 建立一個空的新棧。 它不須要參數，並返回一個空棧。
• push(item)將一個新項添加到棧的頂部。它須要 item 作參數並不返回任何內容。
• pop() 從棧中刪除頂部項。它不須要參數並返回 item 。棧被修改。
• peek() 從棧返回頂部項，但不會刪除它。不須要參數。 不修改棧。
• isEmpty() 測試棧是否爲空。不須要參數，並返回布爾值。
• size() 返回棧中的 item 數量。不須要參數，並返回一個整數。

　　代碼實現：

　　Python 中的列表類提供了有序集合機制和一組方法。例如，若是咱們有列表 [2,5,3,6,7,4]，咱們只須要肯定列表的哪一端將被認爲是棧的頂部。一旦肯定，可使用諸如 append 和 pop 的列表方法來實現操做。

# 建立棧 class Stack(): def __init__(self): self.items = [] # 入棧(壓棧) def push(self,item): self.items.append(item) # 出棧 def pop(self): return self.items.pop() # 棧指針回到棧頂部 def peek(self): return len(self.items) - 1 # 判斷棧是否爲空，空返回Ture,不然爲False def isEmpty(self): return self.items == [] # 獲取棧長度 def size(self): return len(self.items)

　　測試應用：

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())

棧的應用實例(URL存放機制)

　　模擬網站url地址存放機制：

s = Stack()

# 點擊進入一個新的網頁 def getRequest(url): s.push(url) # 查看當前網頁 def showCurenrUrl(): print('當前頁面展現的url：'+s.pop()) # 回退到前一個網頁 def back(): print('回退按鈕點擊後顯示的url：',s.pop()) getRequest('www.1.com') getRequest('www.2.com') getRequest('www.3.com') showCurenrUrl() back() back()
# 結果：>>>

當前頁面展現的url：www.3.com
回退按鈕點擊後顯示的url： www.2.com
回退按鈕點擊後顯示的url： www.1.com

雙端隊列（Deque）

　　概念：deque（也稱爲雙端隊列）是與隊列相似的項的有序集合。它有兩個端部，首部和尾部，而且項在集合中保持不變。

　　特性：deque 特殊之處在於添加和刪除項是非限制性的。能夠在前面或後面添加新項。一樣，能夠從任一端移除現有項。在某種意義上，這種混合線性結構提供了單個數據結構中的棧和隊列的全部能力。

　　注意：即便 deque 能夠擁有棧和隊列的許多特性，它不須要由那些數據結構強制的 LIFO 和 FIFO 排序。這取決於你如何持續添加和刪除操做。

Python實現Deque

　　Deque的抽象數據類型應該由如下結構和操做定義。其中元素能夠從首部或尾部的任一端添加和移除。Deque操做以下：

• • Deque() 建立一個空的新 deque。它不須要參數，並返回空的 deque。
  • addFront(item) 將一個新項添加到 deque 的首部。它須要 item 參數 並不返回任何內容。
  • addRear(item) 將一個新項添加到 deque 的尾部。它須要 item 參數並不返回任何內容。
  • removeFront() 從 deque 中刪除首項。它不須要參數並返回 item。deque 被修改。
  • removeRear() 從 deque 中刪除尾項。它不須要參數並返回 item。deque 被修改。
  • isEmpty() 測試 deque 是否爲空。它不須要參數，並返回布爾值。
  • size() 返回 deque 中的項數。它不須要參數，並返回一個整數。

 　　建立雙端隊列：

# 建立雙端隊列 class Dequeue(): def __init__(self): self.items = [] # 從隊列頭部插入數據 def addFont(self,item): self.items.insert(0,item) # 從隊列尾部插入數據 def addRear(self,item): self.items.append(item) # 隊頭取出元素 def removeFont(self): return self.items.pop() # 隊尾取元素 def removeRear(self): return self.items.pop(0) # 獲取隊列長度 def size(self): return len(self.items)

　　隊列測試：

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()) # 結果>>> 3 2 1

 

雙端隊列的應用案例(迴文檢查)

　　迴文檢測：設計程序，檢測一個字符串是否爲迴文。

　　迴文：迴文是一個字符串，讀取首尾相同的字符，例如，radar toot madam。

　　分析：該問題的解決方案將使用 deque 來存儲字符串的字符。咱們從左到右處理字符串，並將每一個字符添加到 deque 的尾部。在這一點上，deque 像一個普通的隊列。然而，咱們如今能夠利用 deque 的雙重功能。 deque 的首部保存字符串的第一個字符，deque 的尾部保存最後一個字符。咱們能夠直接刪除並比較首尾字符，只有當它們匹配時才繼續。若是能夠持續匹配首尾字符，咱們最終要麼用完字符，要麼留出大小爲 1 的deque，取決於原始字符串的長度是偶數仍是奇數。在任一狀況下，字符串都是迴文。

 

 

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"))

 

 

隊列的應用實例(燙手的山芋)

　　實驗規則：燙手山芋遊戲介紹：6個孩子圍城一個圈，排列順序孩子們本身指定。第一個孩子手裏有一個燙手的山芋，須要在計時器計時1秒後將山芋傳遞給下一個孩子，依次類推。規則是，在計時器每計時7秒時，手裏有山芋的孩子退出遊戲。該遊戲直到剩下一個孩子時結束，最後剩下的孩子獲勝。請使用隊列實現該遊戲策略，排在第幾個位置最終會獲勝。

　　分析：

• 爲了模擬這個圈，咱們可使用隊列。假設遊戲開始時，排在隊列中的第一個（隊首）的孩子手裏拿着山芋。遊戲開始後，拿着山芋的孩子出隊列而後再入隊列，將山芋傳遞給下一個孩子。每當山芋到隊首孩子手裏後，隊首的孩子先出隊列再入隊列，依次類推。當傳遞六次後，手裏有山芋的孩子淘汰，遊戲繼續，繼續傳遞山芋。
• 手裏有山芋的孩子淘汰後，隊列指針指向下一個孩子，保證手裏有山芋的孩子永遠站在隊列的頭部

　　代碼實現：

q = Queue()
kids = ['A','B','C','D','E','F'] # 進隊列(循環隊列) for kid in kids: q.enqueue(kid) # 隊列中剩最後一個孩子則跳出循環，孩子獲勝 while q.size() > 1: # 內層循環是用來將手裏有山芋的孩子排在隊頭 # 每次計時器到時，刪除當前孩子，則指針指向的下一個孩子位置 # 每次計時，循環隊列 for i in range(6): # 刪除隊列最後一個孩子 kid = q.dequeue() # 刪除的孩子從新添加在隊首位置，實現隊列循環  q.enqueue(kid) # 6s計時到時，刪除最後一個孩子，指針指向下一個孩子  q.dequeue() # 打印最後獲勝的孩子 print(q.dequeue()) # 孩子E獲勝，留下的最後一個孩子 # 結果>>>E

Python實現隊列

　　隊列的抽象數據類型應該由如下結構和操做定義。隊列操做以下：

• • Queue() 建立一個空的新隊列。 它不須要參數，並返回一個空隊列。
  • enqueue(item) 將新項添加到隊尾。 它須要 item 做爲參數，並不返回任何內容。
  • dequeue() 從隊首移除項。它不須要參數並返回 item。 隊列被修改。
  • isEmpty() 查看隊列是否爲空。它不須要參數，並返回布爾值。
  • size() 返回隊列中的項數。它不須要參數，並返回一個整數。

 class Queue(): def __init__(self): self.items = [] # 隊列插入元素(左端) def enqueue(self,item): self.items.insert(0,item) # 隊列刪除元素(右端) def dequeue(self): return self.items.pop() # 判斷隊列是否爲空，空返回True，不然返回False def isEmpty(self): return self.items == [] # 返回隊列長度 def size(self): return len(self.items)

　　隊列測試：

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