数据结构与算法（Python）第四天

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链表

双向链表

一种更复杂的链表是“双向链表”或“双面链表”。每个节点有两个链接：一个指向前一个节点，当此节点为第一个节点时，指向空值；而另一个指向下一个节点，当此节点为最后一个节点时，指向空值。

双向链表操作示意图：

操作

  • is_empty() 链表是否为空
  • length() 链表长度
  • travel() 遍历链表
  • add(item) 链表头部添加
  • append(item) 链表尾部添加
  • insert(pos, item) 指定位置添加
  • remove(item) 删除节点
  • search(item) 查找节点是否存在

实现

# coding:utf-8class Node(object):"""定义节点"""def __init__(self,item):self.item=itemself.next=Noneself.prev=Noneclass DoubleLinkList(object):"""双链表"""def __init__(self,node=None):self.__head=nodedef is_empty(self):"""判断链表是否为空"""return self.__head == Nonedef length(self):"""链表长度"""# cur初始时指向头节点cur=self.__headcount=0# 尾节点指向None，当未到达尾部时while cur !=None:count +=1# 将cur后移一个节点cur= cur.nextreturn countdef travel(self):"""遍历整个链表"""cur=self.__headwhile cur != None:print(cur.item,end=" "),cur=cur.nextprint(end="\n")def add(self,item):"""链表头部添加元素,头插法"""node=Node(item)node.next=self.__headself.__head=nodenode.next.prev=nodedef append(self,item):"""链表尾部添加元素,尾插法"""node=Node(item)# 先判断链表是否为空，若是空链表，则将_head指向新节点if self.is_empty():self.__head=node# 若不为空，则找到尾部，将尾节点的next指向新节点else:cur=self.__headwhile cur.next !=None:cur=cur.nextcur.next=nodenode.prev=curdef insert(self,pos, item):"""指定位置添加元素:param pos 从0开始"""if pos<=0:self.add(item)elif pos>self.length()-1:self.append(item)else:cur= self.__headcount=0while count < pos:count += 1cur=cur.next#当循环退出后，cur指向pos的位置node=Node(item)node.next=curnode.prev=cur.prevcur.prev.next=nodecur.prev=nodedef remove(self,item):"""删除节点"""cur=self.__headwhile cur!=None:if cur.item == item:#先判断此节点是否为头节点#头节点if cur==self.__head:self.__head=cur.nextif cur.next:#判断链表是否只有一个节点cur.next.prev=Noneelse:cur.prev.next = cur.nextif cur.next:cur.next.prev=cur.prevbreakelse:cur=cur.nextdef search(self,item):"""查找节点是否存在"""cur=self.__headwhile cur !=None:if cur.item == item:return Trueelse:cur=cur.nextreturn Falseif __name__=="__main__":ll=DoubleLinkList()print(ll.is_empty())print(ll.length())ll.append(1)print(ll.is_empty())print(ll.length())ll.append(2)ll.add(8)ll.append(3)ll.append(4)ll.append(5)ll.append(6)ll.travel()ll.insert(-1,100) #100,8,1,2,3,4,5,6ll.travel()ll.insert(3,200)  #100,8,1,200,2,3,4,5,6ll.travel()ll.insert(10,300) #100,8,1,200,2,3,4,5,6,300ll.travel()ll.remove(200)ll.travel()ll.remove(100)ll.travel()ll.remove(300)ll.travel()

运行结果：

C:\ANACONDA\python.exe "C:/Users/Lenovo/PycharmProjects/Python data structure and algorithm-02/04_double_link_list.py"
True
0
False
1
8 1 2 3 4 5 6
100 8 1 2 3 4 5 6
100 8 1 200 2 3 4 5 6
100 8 1 200 2 3 4 5 6 300
100 8 1 2 3 4 5 6 300
8 1 2 3 4 5 6 300
8 1 2 3 4 5 6 Process finished with exit code 0

单向循环链表

单链表的一个变形是单向循环链表，链表中最后一个节点的next域不再为None，而是指向链表的头节点。


单向循环链表操作示意图：

操作

  • is_empty() 判断链表是否为空
  • length() 返回链表的长度
  • travel() 遍历
  • add(item) 在头部添加一个节点
  • append(item) 在尾部添加一个节点
  • insert(pos, item) 在指定位置pos添加节点
  • remove(item)删除一个节点
  • search(item) 查找节点是否存在

实现

# coding:utf-8#节点实现
class Node(object):"""节点构造"""def __init__(self,item):#_item存放数据元素self.item=item#_next是下一节点的标识self.next=None#单向循环链表的操作class SingleCycleLinkList(object):"""单向循环链表"""def __init__(self,node=None):self.__head=node#没进入这部分是一个空的单向循环链表if node:node.next=nodedef is_empty(self):"""判断链表是否为空"""return self.__head == Nonedef length(self):"""链表长度"""if self.is_empty():return 0# cur初始时指向头节点,用来移动遍历节点cur=self.__head#count用来记录数量count=1# 尾节点指向None，当未到达尾部时while cur.next !=self.__head:count +=1# 将cur后移一个节点cur= cur.nextreturn countdef travel(self):if self.is_empty():return"""遍历整个链表"""cur=self.__headwhile cur.next != self.__head:print(cur.item,end=" "),cur=cur.next#退出循环，cur指向尾节点，但尾节点的元素未打印print(cur.item)def add(self,item):"""链表头部添加元素,头插法"""node=Node(item)if self.is_empty():self.__head=nodenode.next=nodeelse:cur=self.__headwhile cur.next!=self.__head:cur=cur.next#退出循环时，cur指向尾节点node.next=self.__headself.__head=nodecur.next=self.__headdef append(self,item):"""链表尾部添加元素,尾插法"""node=Node(item)# 先判断链表是否为空，若是空链表，则将_head指向新节点if self.is_empty():self.__head=nodenode.next = node# 若不为空，则找到尾部，将尾节点的next指向新节点else:cur=self.__headwhile cur.next !=self.__head:cur=cur.nextnode.next=self.__headcur.next = nodedef insert(self,pos, item):"""指定位置添加元素:param pos 从0开始"""if pos<=0:self.add(item)elif pos>self.length()-1:self.append(item)else:pre= self.__headcount=0while count < (pos-1):count += 1pre=pre.next#当循环退出后，pre指向pos-1的位置node=Node(item)node.next=pre.nextpre.next=nodedef remove(self,item):"""删除节点"""if self.is_empty():returncur=self.__headpre=Nonewhile cur.next!=self.__head:if cur.item == item:#先判断此节点是否为头节点if cur==self.__head:# 头节点的情况# 找尾节点rear=self.__headwhile rear.next!=self.__head:rear=rear.nextself.__head=cur.nextrear.next=self.__headelse:# 中间节点pre.next=cur.nextreturnelse:pre=curcur=cur.next# 退出循环时，cur指向尾节点if cur.item==item:if cur==self.__head:#链表只有一个节点self.__head=Noneelse:pre.next=cur.nextdef search(self,item):"""查找节点是否存在"""if self.is_empty():return Falsecur=self.__headwhile cur.next !=self.__head:if cur.item == item:return Trueelse:cur=cur.next# 退出循环时，cur指向尾节点if cur.item==item:return Truereturn Falseif __name__=="__main__":ll=SingleCycleLinkList()print(ll.is_empty())print(ll.length())ll.append(1)print(ll.is_empty())print(ll.length())ll.append(2)ll.add(8)ll.append(3)ll.append(4)ll.append(5)ll.append(6)ll.travel()ll.insert(-1,100) #100,8,1,2,3,4,5,6ll.travel()ll.insert(3,200)  #100,8,1,200,2,3,4,5,6ll.travel()ll.insert(10,300) #100,8,1,200,2,3,4,5,6,300ll.travel()ll.remove(200)ll.travel()ll.remove(100)ll.travel()ll.remove(300)ll.travel()

运行结果：

C:\ANACONDA\python.exe "C:/Users/Lenovo/PycharmProjects/Python data structure and algorithm-02/05_single_cycle_link_list.py"
True
0
False
1
8 1 2 3 4 5 6
100 8 1 2 3 4 5 6
100 8 1 200 2 3 4 5 6
100 8 1 200 2 3 4 5 6 300
100 8 1 2 3 4 5 6 300
8 1 2 3 4 5 6 300
8 1 2 3 4 5 6Process finished with exit code 0

栈

栈（stack），有些地方称为堆栈，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。

栈结构实现

栈可以用顺序表实现，也可以用链表实现。

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

实现

# coding:utf-8class 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 Nonedef is_empty(self):"""判断栈是否为空"""return self.__list==[]# return not self.__list  两句话一样的效果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)print(s.size())print(s.pop())print(s.pop())print(s.pop())print(s.pop())

运行结果：

C:\ANACONDA\python.exe "C:/Users/Lenovo/PycharmProjects/Python data structure and algorithm-02/06_stack.py"
<__main__.Stack object at 0x0000021AED807C48>
4
4
3
2
1Process finished with exit code 0

队列

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=（a1，a2，……，an），那么a1就是队头元素，而an是队尾元素。这样我们就可以删除时，总是从a1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。

队列的实现

同栈一样，队列也可以用顺序表或者链表实现。

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

实现

# coding=utf-8class 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)def dequeue(self):"""从队列头部删除一个元素"""return self.__list.pop(0)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)print(s.size())print(s.dequeue())print(s.dequeue())print(s.dequeue())print(s.dequeue())

运行结果：

C:\ANACONDA\python.exe "C:/Users/Lenovo/PycharmProjects/Python data structure and algorithm-02/07_queue.py"
<__main__.Queue object at 0x00000261C03E1F08>
4
1
2
3
4Process finished with exit code 0

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。

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

实现

# coding=utf-8class Deque(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) :"""从队头删除一个item元素"""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 = Deque()s.add_front(1)s.add_rear(2)s.add_front(3)s.add_rear(4)print(s)print(s.size())print(s.remove_front())print(s.remove_rear())print(s.remove_front())print(s.remove_rear())

运行结果：

C:\ANACONDA\python.exe "C:/Users/Lenovo/PycharmProjects/Python data structure and algorithm-02/08_deque.py"
<__main__.Deque object at 0x0000023F3F12B748>
4
3
4
1
2Process finished with exit code 0

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