基础数据结构:栈、队列——Python实现
2017-09-15 11:23
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基础数据结构:栈、队列——Python实现
上一节我们重点介绍了数据结构的顺序与链式存储结构,那么这次我们来实现一下栈和队列这两种最基础的线性逻辑结构。对栈和队列最简单的描述,也是它们最核心的性质,就是:
栈 —— 后进先出
队列 —— 先进先出
一个简单的比喻就是:
栈像是将书一本本依次平摞在一个箱子里,后放入箱子的将先被拿出。
队列就如排队,先来排队的人先被接待。
这是逻辑上的两种数据结构,对应我们前面所讲的顺序表和链表两种存储结构,我们在编程实现数据结构时又可以通过继承以上两种表,派生出顺序栈、顺序队列、链式栈、链式队列。或者单独实现栈和队列的基类,通过多重继承(c++\Python)或者组合(Java)两两结合得出以上四种数据结构。
使用Python的list实现顺序栈和顺序队列十分简单,我们只需要继承上一节中的顺序表,再添加一个出栈或出队列的函数即可:
# 基类:顺序表 class List: def __init__(self): self.list = [] def __str__(self): return str(self.list) def put(self, item): self.list.append(item) def size(self): return len(self.list) def isEmpty(self): return self.list == [] # 子类:顺序栈 class ListStack(List): def pop(self): if self.isEmpty(): return None else: return self.list.pop(-1) # 子类:顺序队列 class ListQueue(List): def dequeue(self): if self.isEmpty(): return None else: return self.list.pop(0)
使用了Python基本数据结构list中的方法append和pop来实现入和出的操作,我们只需要改变pop方法的index参数便可实现出栈和出队列的逻辑。
#测试 s=ListStack() q=ListQueue() for i in range(0,10): s.put(i) q.put(i) print("Stack:",s) print("Queue:",q) for i in range(0,5): print("Stack pop:",s.pop()) print("Queue dequeue:",q.dequeue()) print("Stack:",s) print("Queue:",q)
#输出 Stack: [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] Queue: [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] Stack pop: 9 Queue dequeue: 0 Stack pop: 8 Queue dequeue: 1 Stack pop: 7 Queue dequeue: 2 Stack pop: 6 Queue dequeue: 3 Stack pop: 5 Queue dequeue: 4 Stack: [0, 1, 2, 3, 4] Queue: [5, 6, 7, 8, 9]
继承链表基类,得到链式栈和链式队列:
上一篇提到了我们可以增加rear字段方便尾部插入,但是在删除时我们需要将rear向前移动一位,为了避免遍历全表,我们就需要双向链表,在node结构中增加last来指向前一个结点。但其实将链表首位相接构成双向循环链表的话,我们就不需要rear而是用head.last来查到尾结点。
以下双向循环列表基类的内部方法
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做了一点点修改,设计思路跟上面的顺序方法相比有所改变:
# 双向循环链表 class DoubleLoopLinked: class __Node: item = None next = None last = None def __init__(self, item, n, l): self.item = item self.next = n self.last = l def __init__(self): self.__head = self.__Node(None, None, None) self.__size = 0 def __str__(self): p = self.__head.next l = [] while p != self.__head: l.append(p.item) p = p.next return str(l) #Python只有公有和私有两种类型的成员,实际上并没有保护成员 #这里将基类的插入删除操作定义为模拟的保护性方法(函数名前加单下划线def _function(self)) #只允许派生类内使用,而不能在外部(如主函数里)访问 #但事实上只是模拟,经测试,pycharm虽然有提示为protected member,但实际上类外部依然可以访问 # 尾插法 def _insertToTail(self, item): if self.isEmpty(): node = self.__Node(item, self.__head, self.__head) self.__head.next = node self.__head.last = node else: node = self.__Node(item, self.__head, self.__head.last) self.__head.last.next = node self.__head.last = node self.__size += 1 # 头插法 def _insertToHead(self, item): if self.isEmpty(): node = self.__Node(item, self.__head, self.__head) self.__head.next = node self.__head.last = node else: node = self.__Node(item, self.__head.next, self.__head) self.__head.next.last = node self.__head.next = node self.__size += 1 # 删除头结点 def _popHead(self): if self.isEmpty(): return None else: node = self.__head.next self.__head.next = node.next node.next.last = self.__head self.__size -= 1 it = node.item del node return it # 删除尾结点 def _popTail(self): if self.isEmpty(): return None else: node = self.__head.last self.__head.last = node.last node.last.next = self.__head self.__size -= 1 it = node.item del node return it def size(self): return self.__size def isEmpty(self): return self.__size == 0
我们在实现栈和队列时,只需要使用基类提供的方法:
# 子类:链式栈 class LinkedStack(DoubleLoopLinked): def push(self,item): self._insertToTail(item) def pop(self): return self._popTail() # 子类:链式队列 class LinkedQueue(DoubleLoopLinked): def enqueue(self,item): self._insertToTail(item) def dequeue(self): return self._popHead()
测试结果与顺序存储方式相同。
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