数据结构与算法（Python）（五）—— 栈与队列

一、栈

1. 栈的定义

• 栈（stack），或堆栈，是一种容器，可存入数据元素、访问元素、删除元素，它的特点在于只能允许在容器的一端（称为栈顶端指标，英语：top）进行加入数据（英语：push）和输出数据（英语：pop）的运算。没有了位置概念，保证任何时候可以访问、删除的元素都是此前最后存入的那个元素，确定了一种默认的访问顺序。
• 由于栈数据结构只允许在一端进行操作，因而按照后进先出（LIFO, Last In First Out）的原理运作。
  

2. 栈的实现

• 栈可以用顺序表实现，也可以用链表实现。
• 栈可执行的操作
  Stack() 创建一个新的空栈
  push(item) 添加一个新的元素item到栈顶
  pop() 弹出栈顶元素
  peek() 返回栈顶元素
  is_empty() 判断栈是否为空
  size() 返回栈的元素个数
• 代码实现（顺序表实现方式）

class Stack(object):
    """栈"""
    def __init__(self):
        self.__list = []

    def push(self, item):
        """添加一个新的元素item到栈顶"""
        self.__list.append(item)

    def pop(self):
        """弹出栈顶元素"""
        return self.__list.pop()

    def peek(self):
        """返回栈顶元素"""
        if self.__list:
            return self.__list[-1]
        else:
            return None

    def is_empty(self):
        """判断栈是否为空"""
        return self.__list == []

    def size(self):
        """返回栈的元素个数"""
        return len(self.__list)


if __name__ == '__main__':
    s = Stack()
    s.push(1)
    s.push(2)
    s.push(3)
    s.push(4)
    print(s.pop())
    print(s.pop())
    print(s.pop())
    print(s.pop())

二、队列

1. 队列的定义

• 队列（queue）是只允许在一端进行插入操作，而在另一端进行删除操作的线性表。
• 队列是一种先进先出的（First In First Out）的线性表，简称FIFO。允许插入的一端为队尾，允许删除的一端为队头。队列不允许在中间部位进行操作！假设队列是 $q=（a_1，a_2，……，a_n）$，那么 $a_1$ 就是队头元素，而 $a_n$ 是队尾元素。这样我们就可以删除时，总是从 $a_1$ 开始，而插入时，总是在队列最后。这也比较符合我们通常生活中的习惯，排在第一个的优先出列，最后来的当然排在队伍最后。
  

2. 队列的实现

• 同栈一样，队列也可以用顺序表或者链表实现。
• 队列可执行的操作
  Queue() 创建一个空的队列
  enqueue(item) 往队列中添加一个item元素
  dequeue() 从队列头部删除一个元素
  is_empty() 判断一个队列是否为空
  size() 返回队列的大小
• 代码实现（顺序表实现方式）

class Queue(object):
    """队列"""
    def __init__(self):
        self.__list = []

    def enqueue(self, item):
        """往队列中添加一个item元素"""
        self.__list.append(item)
        # self.__list.insert(0, item)

    def dequeue(self):
        """从队列头部删除一个元素"""
        return self.__list.pop(0)
        # return self.__list.pop()

    def is_empty(self):
        """判断一个队列是否为空"""
        return self.__list == []

    def size(self):
        """返回队列的大小"""
        return len(self.__list)


if __name__ == '__main__':
    s = Queue()
    s.enqueue(1)
    s.enqueue(2)
    s.enqueue(3)
    s.enqueue(4)
    print(s.dequeue())
    print(s.dequeue())
    print(s.dequeue())
    print(s.dequeue())

3. 双端队列

• 双端队列（deque，全名double-ended queue），是一种具有队列和栈的性质的数据结构。双端队列中的元素可以从两端弹出，其限定插入和删除操作在表的两端进行。双端队列可以在队列任意一端入队和出队。
  
• 双端队列可执行的操作
  Deque() 创建一个空的双端队列
  add_front(item) 从队头加入一个item元素
  add_rear(item) 从队尾加入一个item元素
  remove_front() 从队头删除一个item元素
  remove_rear() 从队尾删除一个item元素
  is_empty() 判断双端队列是否为空
  size() 返回队列的大小
• 代码实现（顺序表实现方式）

class Dqueue(object):
    """双端队列"""
    def __init__(self):
        self.__list = []

    def add_front(self, item):
        """从队头加入一个item元素"""
        self.__list.insert(0, item)

    def add_rear(self, item):
        """从队尾加入一个item元素"""
        self.__list.append(item)

    def remove_front(self):
        """从队头删除一个item元素"""
        return self.__list.pop(0)

    def remove_rear(self):
        """从队尾删除一个item元素"""
        return self.__list.pop()

    def is_empty(self):
        """判断双端队列是否为空"""
        return self.__list == []

    def size(self):
        """返回队列的大小"""
        return len(self.__list)