Python数据结构学习笔记——队列和双端队列

一、队列的定义

队列和栈一样，也是元素的有序集合，其元素的顺序取决于添加顺序或移除顺序，它也有两端，称作头部和尾部，栈中元素的添加操作和移除操作与栈不一样，添加操作发生在队列的尾部，移除操作发生在队列的头部。

队列中最先添加的元素将最先被移除，队列的排序原则被称作FIFO，即先进先出，最先添加的元素在队列头部，它最先最移出队列。
这种排列方式可以比喻成日常生活中的排队，很多人排成一队，所有的人从队的一端入队，从另一端出队，其中不能插队，后到的人若想进入队列，只能从队尾进入队列。

队列的相关应用例子：

在操作系统使用一些队列来控制计算机进程。
调度机制往往基于一个队列算法，其目标是尽可能快地执行程序，同时服务尽可能多的用户。在打字时，我们有时会发现字符出现的速度比击键速度慢。这是由于计算机正在做其他的工作。击键操作被放入一个类似于队列的缓冲区，以便对应的字符按正确的顺序显示。

二、队列 实现步骤分析

与栈一样，通过Python中的类与对象，在类中定义几个方法，使用列表来实现队列的相关操作，这里是将列表的末尾作为队列的头部，队列的尾部是列表下标为0处的位置，队列的操作有：
1、创建一个空队列，通过构造方法创建一个空列表；

class Queue:
    def __init__(self):
        self.items = []  # 创建一个空队列，不需要参数，且会返回一个空队列

2、向队列（尾部）中添加元素，通过列表中的insert()实现添加新元素至队列中，由于是向队列尾部添加元素，添加列表中的第一个元素，即下标为0的元素；

    def add(self, item):
        self.items.insert(0, item)  # 在队列的尾部添加元素，它需要一个元素作为参数

3、删除队列头部元素，通过列表中的pop()实现删除队列头部元素，由于未指定参数，所以该方法删除列表中的末尾元素，即删除的是队列头部元素；

    def delete(self):
        return self.items.pop()  # 删除队列头部的元素，不需要参数，它会返回一个元素，并修改队列的内容

4、返回队列的头部元素，通过len()取得队列（列表）的长度，由于列表的下标是从0开始，所以要减1，即可索引返回第一位元素；

    def display(self):
        return self.items[len(self.items) - 1]  # 返回队列的头部元素

5、检查队列是否为空，通过比较运算符“==”比较队列是否为空，若为空，则返回布尔值False，若不为空，则返回True；

    def isEmpty(self):
        return self.items == []  # 检查队列是否为空，不需要参数，且返回一个布尔值来表示

6、返回队列中元素数目，通过len()取所有元素的值，即返回队列中元素的数目。

    def size(self):
        return len(self.items)  # 返回队列中元素的数目，不需要参数，却返回一个整数来表示

三、队列的Python实现代码

完整代码如下：

# 通过列表实现队列的操作
class Queue:
    def __init__(self):
        self.items = []  # 创建一个空队列，不需要参数，且会返回一个空队列

    def add(self, item):
        self.items.insert(0, item)  # 在队列的尾部添加元素，它需要一个元素作为参数

    def delete(self):
        return self.items.pop()  # 删除队列头部的元素，不需要参数，它会返回一个元素，并修改队列的内容

    def display(self):
        return self.items[len(self.items) - 1]  # 返回队列的头部元素

    def isEmpty(self):
        return self.items == []  # 检查队列是否为空，不需要参数，且返回一个布尔值来表示

    def size(self):
        return len(self.items)  # 返回队列中元素的数目，不需要参数，却返回一个整数来表示


# 测试
q = Queue()# q是一个新创建的空队列，创建一个对象，即对象名称=类名称()
print(q.isEmpty())  # 查询队列是否为空
print(q.size())  # 返回队列中元素的数目
q.add(False)  # 在队列的尾部添加一个元素
print(q.display())# 返回队列的头部元素
q.add("qwet")
q.add(0)
print(q.display())
print(q.size())
q.delete()  # 删除队列头部的元素
print(q.display())
print(q.size())
print(q.isEmpty())

运行结果如下：

四、队列的应用

六人传土豆游戏

六个人传土豆游戏可模拟为队列的循环，通过队列来模拟一个环，即队列头部的出队移至尾部，然后入队进入队列的尾部从而一直循环传下去。在出队和入队N次之后，此时位于队列头部的人出局，新一轮的游戏开始，如此反复像一个圆环一样依次循环下去，直到队列中只剩下一个名字，即最后队伍的元素数目为1。

定义一个Pass()函数，传递土豆的常量为7，首先通过一个for循环遍历参加传递土豆游戏的所有人使其都添加到队列中，通过add(name_people)方法实现程序实现，name_people参数可传入一个列表，然后通过while循环条件为队列中的元素是否大于1，若大于1则while循环一直执行其内部代码块下去，在while循环内根据所输入的传递土豆的常量通过for循环中的range()函数确定相应的循环次数，然后依次将所删除的头部元素再添加到队列的尾部，若循环次数（传递土豆的常量）达到后，此时删除队列头部的元素，该人出局；若直到队伍的元素数目等于1时，结束while循环返回队列中的只剩下的那个元素，完整代码及解析如下：

# 通过列表实现队列的操作
class Queue:
    def __init__(self):
        self.items = []  # 创建一个空队列，不需要参数，且会返回一个空队列

    def add(self, item):
        self.items.insert(0, item)  # 在队列的尾部添加元素，它需要一个元素作为参数

    def delete(self):
        return self.items.pop()  # 删除队列头部的元素，不需要参数，它会返回一个元素，并修改队列的内容

    def display(self):
        return self.items[len(self.items) - 1]  # 返回队列的头部元素

    def isEmpty(self):
        return self.items == []  # 检查队列是否为空，不需要参数，且返回一个布尔值来表示

    def size(self):
        return len(self.items)  # 返回队列中元素的数目，不需要参数，却返回一个整数来表示


# 定义一个有参函数，参数为参加游戏的人peoples和传土豆的计数常量num
def Pass(peoples, num):
    q = Queue()# q是一个新创建的队列，创建一个对象，即对象名称=类名称()
    for name_people in peoples:  # 依次遍历参加游戏的人peoples使其添加到队列中
        q.add(name_people)
    while q.size() > 1:  # 若队列中的元素数目大于1则while循环一直执行下去
        for i in range(num):  # 根据所给的计数常量依次进行相应的循环次数
            q.add(q.delete())  # 将所删除的头部元素添加到队列的尾部
        q.delete()  # 计数常量到达后，删除队列头部的元素，即该人出局
    return q.delete()  # 返回队列中只剩一个元素


# 测试
print(Pass(["first", "second", "third", "four", "five", "six", "seven"], 7))

运行结果如下：

我们可以对六人传土豆游戏进行进一步的修改，比如允许随机计数，从而使每一轮的结果都不可预测，从而使游戏更加公平，由于是随机计数，可以使用random模块来生成随机整数，选定一个范围使计算机自动生成。
改进后的六人传土豆游戏程序代码及解析如下：

import random  # 导入random模块


# 通过列表实现队列的操作
class Queue:
    def __init__(self):
        self.items = []  # 创建一个空队列，不需要参数，且会返回一个空队列

    def add(self, item):
        self.items.insert(0, item)  # 在队列的尾部添加元素，它需要一个元素作为参数

    def delete(self):
        return self.items.pop()  # 删除队列头部的元素，不需要参数，它会返回一个元素，并修改队列的内容

    def display(self):
        return self.items[len(self.items) - 1]  # 返回队列的头部元素

    def isEmpty(self):
        return self.items == []  # 检查队列是否为空，不需要参数，且返回一个布尔值来表示

    def size(self):
        return len(self.items)  # 返回队列中元素的数目，不需要参数，却返回一个整数来表示


# 定义一个有参函数，参数为参加游戏的人peoples和传土豆的计数常量num
def Pass(peoples, num):
    q = Queue()
    for name_people in peoples:  # 依次遍历参加游戏的人peoples使其添加到队列中
        q.add(name_people)
    while q.size() > 1:  # 若队列中的元素数目大于1则while循环一直执行下去
        for i in range(num):  # 根据所输入的计数常量依次进行相应的循环次数
            q.add(q.delete())  # 将所删除的头部元素添加到队列的尾部
        q.delete()  # 计数常量达到后，删除队列头部的元素，即该人出局
    return q.delete()  # 返回队列中只剩一个元素


# 测试
num = random.randint(1, 100)  # 产生1到100之间的一个整数作为计数常量值，每次产生的整数不一定相同从而无法预测到结果
print(f"本次计数常量值为：{
      
      num}")
print(Pass(["first", "second", "third", "four", "five", "six", "seven"], num))

运行结果如下，每次产生的计数常量值不同导致结果不同：
第一次运行：

第二次运行：

五、双端队列的定义

双端队列与队列类似，它有前、后两端，但无论是添加元素或删除元素都可以在两端实现，它的排序原则可以为栈的后进先出，也可以为队列的先进先出，这取决于使用者，可以说双端队列是栈和队列的结合。

六、双端队列 实现步骤分析

通过Python中的类与对象，在类中定义几个方法，使用列表来实现双端队列的相关操作，这里是将列表的末尾作为双端队列的前端，双端队列的后端是列表下标索引为0的位置，双端队列的操作有：
1、创建一个空双端队列，通过构造方法创建一个空列表；

class Deque:
    def __init__(self):
        self.items = []  # 创建一个空双端队列，不需要参数，且会返回一个空双端队列

2、向双端队列两端添加元素，分为向双端队列的前端或后端添加元素，前端通过append()方法向列表末尾添加元素，即向双端队列的前端添加；后端通过insert()方法在列表下标为0处列表的第一位元素，即双端队列的后端添加；

    def addFront(self, item):
        self.items.append(item)  # 在双端队列的前端添加元素，它需要一个元素作为参数

    def addRear(self, item):
        self.items.insert(0, item)  # 在双端队列的后端添加元素，它需要一个元素作为参数

3、删除双端队列两端元素，分为删除双端队列的前端元素和删除双端队列的后端元素，都通过使用pop()方法，前端不需要指定参数，使其删除列表的末尾元素，即双端队列的前端元素；后端指定参数为0，使其删除列表中下标为0的元素，即列表的第一位元素，从而删除双端的后端元素；

   def deleteFront(self):
        return self.items.pop()  # 删除双端队列前端的元素，不需要参数，它会返回一个元素，并修改双端队列的内容

    def deleteRear(self):
        return self.items.pop(0)  # 删除双端队列后端的元素，不需要参数，它会返回一个元素，并修改双端队列的内容

4、返回双端队列的两端元素，通过len()先取得列表的长度，由于下标是从0开始，所以要减1，从而索引得到双端队列的前端元素；通过索引列表下标为0的元素得到双端队列的后端元素；

    def displayFront(self):
        return self.items[len(self.items) - 1]  # 返回双端队列的前端元素

    def displayRear(self):
        return self.items[0]  # 返回双端队列的后端元素

5、检查双端队列是否为空，通过比较运算符“==”比较队列是否为空，若为空，则返回布尔值False，若不为空，则返回True；

    def isEmpty(self):
        return self.items == []  # 检查双端队列是否为空，不需要参数，且返回一个布尔值来表示

6、返回双端队列中元素数目，通过len()取所有元素的值，即返回队列中元素的数目。

    def size(self):
        return len(self.items)  # 返回双端队列中元素的数目，不需要参数，却返回一个整数来表示

七、双端队列的Python实现代码

完整代码如下：

# 通过列表实现双端队列的操作
class Deque:
    def __init__(self):
        self.items = []  # 创建一个空双端队列，不需要参数，且会返回一个空双端队列

    def addFront(self, item):
        self.items.append(item)  # 在双端队列的前端添加元素，它需要一个元素作为参数

    def addRear(self, item):
        self.items.insert(0, item)  # 在双端队列的后端添加元素，它需要一个元素作为参数

    def deleteFront(self):
        return self.items.pop()  # 删除双端队列前端的元素，不需要参数，它会返回一个元素，并修改双端队列的内容

    def deleteRear(self):
        return self.items.pop(0)  # 删除双端队列后端的元素，不需要参数，它会返回一个元素，并修改双端队列的内容

    def displayFront(self):
        return self.items[len(self.items) - 1]  # 返回双端队列的前端元素

    def displayRear(self):
        return self.items[0]  # 返回双端队列的后端元素

    def isEmpty(self):
        return self.items == []  # 检查双端队列是否为空，不需要参数，且返回一个布尔值来表示

    def size(self):
        return len(self.items)  # 返回双端队列中元素的数目，不需要参数，却返回一个整数来表示


# 测试
d = Deque()  # d是一个新创建的空双端队列，创建一个对象，即对象名称=类名称()
print(d.isEmpty())  # 检查双端队列是否为空
print(d.size())  # 返回双端队列中元素的数目
d.addFront(123456)  # 向双端队列的前端添加元素
d.addFront("45@d")
d.addRear("2021-1-14")  # 向双端队列的后端添加元素
d.addRear("Z")
print(d.size())
print(d.displayFront())  # 返回双端队列的前端元素
print(d.displayRear())  # 返回双端队列的后端元素
d.deleteFront()  # 删除双端队列的前端元素
print(d.size())
print(d.displayFront())
d.deleteRear()  # 删除双端队列的后端元素
print(d.size())
print(d.displayRear())
print(d.isEmpty())

运行结果如下：

测试图例：

八、双端队列的应用

回文检测器

回文是指正着读和反着读都一样的字符串，即成对称的字符串，例如rar、toot、12321等等，我们可以通过一个双端队列来存储字符串中的字符，通过从左往右的顺序将字符串中的字符添加到双端队列的后端，然后通过定义一个条件，只有当双端队列的前端和后端相同时，才相互抵消删除元素。一直这样删除下去，若输入的字符串字符数为偶数，则最后将没有字符；若输入的字符串字符数为奇数，则最后只剩下一个字符，从而达到检测回文的目的。

回文检测器的完整代码及解析如下：

# 通过列表实现双端队列的操作
class Deque:
    def __init__(self):
        self.items = []  # 创建一个空双端队列，不需要参数，且会返回一个空双端队列

    def addFront(self, item):
        self.items.append(item)  # 在双端队列的前端添加元素，它需要一个元素作为参数

    def addRear(self, item):
        self.items.insert(0, item)  # 在双端队列的后端添加元素，它需要一个元素作为参数

    def deleteFront(self):
        return self.items.pop()  # 删除双端队列前端的元素，不需要参数，它会返回一个元素，并修改双端队列的内容

    def deleteRear(self):
        return self.items.pop(0)  # 删除双端队列后端的元素，不需要参数，它会返回一个元素，并修改双端队列的内容

    def displayFront(self):
        return self.items[len(self.items) - 1]  # 返回双端队列的前端元素

    def displayRear(self):
        return self.items[0]  # 返回双端队列的后端元素

    def isEmpty(self):
        return self.items == []  # 检查双端队列是否为空，不需要参数，且返回一个布尔值来表示

    def size(self):
        return len(self.items)  # 返回双端队列中元素的数目，不需要参数，却返回一个整数来表示


# 定义一个有参函数，其参数是输入的字符串
def palindromic(string):
    d = Deque()  # d是一个新创建的空双端队列，创建一个对象，即对象名称=类名称()
    for i in string:
        d.addRear(i)  # 通过addRear()方法向双端队列的后端添加元素
    stillEqual = True
    while d.size() > 1 and stillEqual:  # 若双端队列中元素的数目大于1且变量stillEqual为True时while循环一直下去
        first = d.deleteFront()  # 通过删除双端列表前端的元素，该方法返回的元素赋值给变量first
        last = d.deleteRear()  # 通过删除双端列表后端的元素，该方法返回的元素赋值给变量last
        if first != last:
            stillEqual = False  # 若左右两端的元素不相同则对变量stillEqual赋值False
        return stillEqual  # 返回变量stillEqual的值


# 测试
print(palindromic("我为人人，人人为我"))
print(palindromic("141"))
print(palindromic("qwer"))
print(palindromic("refer"))
print(palindromic("did"))

运行结果如下：

结语

参考书籍：《Python数据结构与算法分析 第2版》
[美] 布拉德利·米勒（Bradley N. Miller） 戴维·拉努姆（DavidL. Ranum）|译者:吕能 刁寿钧

以上就是本次Python数据结构学习笔记栈的全部内容，篇幅较长，感谢您的阅读和支持，若有表述或代码中有不当之处，望指出！您的指出和建议能给博主带来很大的动力！！！