用Python實現的數據結構與算法：雙端隊列

1、概述

雙端隊列（deque，全名double-ended queue）是一種具備隊列和棧性質的線性數據結構。雙端隊列也擁有兩端：隊首（front）、隊尾（rear），但與隊列不一樣的是，插入操做在兩端（隊首和隊尾）均可以進行，刪除操做也同樣。

2、ADT

雙端隊列ADT（抽象數據類型）通常提供如下接口：

• Deque() 建立雙端隊列
• addFront(item) 向隊首插入項
• addRear(item) 向隊尾插入項
• removeFront() 返回隊首的項，並從雙端隊列中刪除該項
• removeRear() 返回隊尾的項，並從雙端隊列中刪除該項
• empty() 判斷雙端隊列是否爲空
• size() 返回雙端隊列中項的個數

雙端隊列操做的示意圖以下：

3、Python實現

在Python中，有兩種方式能夠實現上述的雙端隊列ADT：使用內建類型list、使用標準庫collections.deque（其實collections.deque就是Python中雙端隊列的標準實現）。

兩種方式的不一樣主要體如今性能上（具體參考 collections.deque | TimeComplexity）：

操做|實現方式   list    collections.deque
-----------------------------------------
addFront        O(n)    O(1)
-----------------------------------------
addRear         O(1)    O(1)
-----------------------------------------
removeFront     O(n)    O(1)
-----------------------------------------
removeRear      O(1)    O(1)

一、使用內建類型list

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

class Deque:
    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(0)

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

    def empty(self):
        return self.size() == 0

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

二、使用標準庫collections.deque

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

from collections import deque

class Deque:
    def __init__(self):
        self.items = deque()

    def addFront(self, item):
        self.items.appendleft(item)

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

    def removeFront(self):
        return self.items.popleft()

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

    def empty(self):
        return self.size() == 0

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

4、應用

迴文（palindrome）是正讀反讀都同樣的單詞或句子，是一種修辭方式和文字遊戲。

英文例子：

• madam
• able was i ere i saw elba

中文例子：

• 花非花
• 人人爲我、我爲人人

若是要實現一個 迴文驗證算法（驗證一個給定的字符串是否爲迴文），使用Deque類將很是容易：將字符串存儲到雙端隊列，同時取出首尾字符並比較是否相等，只要有一對字符不等，則該字符串不是迴文；若所有相等，則該字符串爲迴文。具體代碼以下：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

def palchecker(aString):
    chardeque = Deque()

    for ch in aString:
        chardeque.addRear(ch)

    while chardeque.size() > 1:
        first = chardeque.removeFront()
        last = chardeque.removeRear()
        if first != last:
            return False

    return True

if __name__ == '__main__':
    str1 = 'able was i ere i saw elba'
    print('"%s" is%s palindrome' % (str1, '' if palchecker(str1) else ' not'))

    str2 = u'人人爲我、我爲人人'
    print(u'"%s"%s是迴文' % (str2, u'' if palchecker(str2) else u'不'))

    str3 = u"What's wrong 怎麼啦"
    print(u'"%s"%s是迴文' % (str3, u'' if palchecker(str3) else u'不'))

運行結果：

$ python palchecker.py
"able was i ere i saw elba" is palindrome
"人人爲我、我爲人人"是迴文
"What's wrong 怎麼啦"不是迴文