数据结构笔记-栈与队列python实现

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概述

栈与队列是程序设计中被广泛应用的两种重要的数据结构，都是在特定范围的存储单元内存储数据，这些数据都可以被重新取出使用，与线性表相比，他们的插入和删除受到更多的约束，固又称限定性的线性表结构。他们是最简单的缓存结构，他们只支持数据项的存储与访问，不支持数据项之间的任何关系。因此，这两种数据集合都很小，很简单，其中最重要的操作就是元素的存入与取出。作为数据结构，他们还需要几个任何数据结构都需要的操作，如结构的创建，检查是否为空状态等。

在计算中，中间数据对象的生成有早有晚，存在时间上的先后顺序。在后面使用这些元素时，也可能需要考虑他们的生成时间顺序。

→栈是保证元素后进先出（后存入者先使用，Last In First Out,LIFO）关系的结构。

→队列是保证元素先进先出（先存入者先使用，First In First Out）关系的结构。

1.栈

栈是一种容器，可存入数据，访问元素，删除元素等。存入栈中的元素相互之间没有任何具体关系，只有到来的时间先后顺序。在这里没有元素的位置，元素的前后顺序等概念。栈的基本性质保证，在任何时刻可以访问，删除的元素都是在此之前的最后存入的那个元素。因此，栈确定了一种默认元素的访问顺序，访问数无需其他信息。

1_1.栈的抽象数据类型描述：

ADT Stack:
    Stack(self)    #创建空栈
    is_empty(self) #判断栈是否为空,空时返回True否则返回False
    push(self,e)   #将元素elem加入栈，称为压入或推入
    pop(self)      #删除栈里最后压入的元素并将其返回，常称为弹出
    top(self)      #取得栈里最后压入的元素，不弹出

1_2.栈的数组实现

把数组的首元素当做栈底，同时记录栈中的个数size，假设数组的首地址为arr，压栈的操作就是将元素放入arr[size]，弹栈就是取数组arr[size-1]的元素，然后执行size减一，根据这个原理实现栈。

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

#实现栈
#方法一：数组实现栈
class MyStack:
	__slots__ = ('items')#该属性仅对当前类有用 继承类没用
	#模拟栈
	def __init__(self):
		self.items = []
	#判断栈是否为空
	def is_empty(self):
		return len(self.items)==0
	#返回栈的大小
	def size(self):
		return len((self.items))
	#返回栈顶元素
	def top(self):
		if not self.is_empty():
			return self.items[len(self.items)-1]
		else:
			return None
	#弹栈
	def pop(self):
		if len(self.items)>0:
			return self.items.pop()
		else:
			print('栈已经为空')
			return None
	#压栈
	def push(self,item):
		self.items.append(item)

if __name__ == "__main__":
	s = MyStack()
	s.push(4)
	s.push(3)
	s.push(2)
	s.push(1)
	print('栈顶元素: '+str(s.top()))
	print('栈大小为: '+str(s.size()))
	s.pop()
	print('弹栈成功')

栈顶元素: 1
栈大小为: 4
弹栈成功
[Finished in 0.1s]

1_3.栈的列表实现

由于数组的初始大小会占用多余的内存，且在元素量未知的情况下可能会出现扩容的情况，因此也可以使用链表实现栈，但相应的增加了空间代价记录指针位置，但也是一种方法。在执行压栈操作时，只需把链表首节点的next指针指向当前压入元素，再把当前元素next指针指向之前首节点指向的元素地址即可，弹出元素就更简单了，只需修改首节点指针到head.next.next的位置，显示head.next.data即可完成弹栈操作。

#方法二：链表实现
class LNode:
	def __init__(self,x,next_=None):
		self.data = x
		self.next = next_

class MyStack:
	def __init__(self):
		#pHead=LNode()
		self.data = None
		self.next = None
	#判断stack是否为空,如果空返回true,否则返回false

	def empty(self):
		if self.next ==None:
			return True
		else:
			return False

	#获取栈中元素个数
	def size(self):
		size = 0
		p = self.next
		while p != None:
			p = p.next
			size += 1
		return size

	#入栈:放入栈顶
	def push(self,e):
		p = LNode(e)
		p.next = self.next#None
		self.next = p

	def pop(self):
		tmp = self.next
		if tmp != None:
			self.next = tmp.next
			return tmp.data
		print('栈已空')
		return None

	def top(self):
		if self.next != None:
			return self.next.data
		print('栈已空')
		return None

if __name__ == '__main__':
	stack = MyStack()
	stack.push(4)
	stack.push(3)
	stack.push(2)
	stack.push(1)
	print('栈顶元素为： '+str(stack.top()))
	print('栈大小为: '+str(stack.size()))
	stack.pop()
	print('弹栈成功')

与前面数组不同的是，这里需要自定义链表结构LNode.

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栈顶元素为： 1
栈大小为: 4
弹栈成功
[Finished in 0.1s]

2.队列

队列也称为队，队列中也没有位置的概念，只支持默认的元素存入与取出，其特点就是保证在任何时候访问或删除的元素，都是在此前最早存入队列且尚未删除的那个元素。可以借用数据的存储顺序表示数据的存储时间的先后关系，用线性表作为队列的实现结构，利用元素的存储顺序表示其访问顺序。

2_1.队列的抽象数据类型描述：

ADT Queue:
    Queue(self)        #创建空队列
    is_empty(self)     #判断队列是否为空，空返回True否则返回False
    enqueue(self,e)    #将元素elem加入队列，称为入队
    dequeue(self)      #删除队里最早进入的元素，称为出队
    peek(self)         #查看队列最早进入的元素，不删除

2_2.队列的数组实现

用两个指针front和rear记录队列的首尾元素位置，入队只需将入队元素放到rear的位置，同时执行rear＋，出队时只需执行front＋的操作即可。

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

#方法一：队列实现
class MyQueue:
	def __init__(self):
		self.arr = []
		self.front = 0#队列头
		self.rear = 0#队列尾

	def isEmpty(self):
		return self.front == self.rear
	#返回队列的大小
	def size(self):
		return self.rear - self.front
	#返回队列首元素
	def getFront(self):
		if self.isEmpty():
			return None
		return self.arr[self.front]
	#返回队尾元素
	def getBack(self):
		if self.isEmpty():
			return None
		return self.arr[self.rear-1]
	#删除队列头元素
	def deQueue(self):
		if self.rear>self.front:
			self.front +=1
		else:
			print("队列已空")
	#增加队列元素
	def enQueue(self,item):
		self.arr.append(item)
		self.rear += 1

if __name__ == '__main__':
	queue = MyQueue()
	queue.enQueue(1)
	queue.enQueue(2)
	print('队列首元素'+str(queue.getFront()))
	print('队尾元素'+str(queue.getBack()))
	print('队列大小:'+str(queue.size()))

队列首元素1
队尾元素2
队列大小:2
[Finished in 0.1s]

2_3.队列的链表实现

采用链表实现队列与实现栈方法类似，通过使用头指针pHead与尾指针pEnd指向对首先与队尾元素，新元素入队只需将pEnd指针指向新元素并修改pEnd+1，出队则需要修改pHead指针到pHead.next.next，其他不变。

#方法二：链表实现
class LNode:
	def __init__(self,x,next_=None):
		self.data = x
		self.next = next_

class MyQueue:
	#分配头结点
	def __init__(self):
		self.pHead = None
		self.pEnd = None
	#判断队列是否为空
	def isEmpty(self):
		if self.pHead == None:
			return True
		else:
			return False
	#获取栈中元素
	def size(self):
		size = 0
		p = self.pHead
		while p != None:
			p = p.next
			size += 1
		return size
	#入队列：向队列加入元素e
	def enQueue(self,e):
		p = LNode(e)
		p.next = None
		if self.pHead == None:
			self.pHead = self.pEnd = p
		else:
			self.pEnd.next = p
			self.pEnd = p
	#出队列
	def deQueue(self):
		if self.pHead == None:
			print("出队列失败，队列为空")
		print('出队元素：'+str(self.pHead.data))
		self.pHead = self.pHead.next
		if self.pHead == None:
			self.pEnd = None
	#取得队列首元素
	def getFront(self):
		if self.pHead == None:
			print("队列为空")
			return None
		return self.pHead.data
	#取得队尾元素
	def getBack(self):
		if self.pEnd == None:
			print("队列为空")
			return None
		return self.pEnd.data

if __name__ == "__main__":
	queue = MyQueue()
	queue.enQueue(1)
	queue.enQueue(2)
	print('队列首元素'+str(queue.getFront()))
	print('队尾元素'+str(queue.getBack()))
	print('队列大小:'+str(queue.size()))

队列首元素1
队尾元素2
队列大小:2
[Finished in 0.1s]