建议50：Python中的高级数据结构

# -*-  coding:utf-8 -*-

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Collection、Array、Heapq、Bisect、Weakref、Copy以及Pprint
collections模块包含了内建类型之外的一些有用的工具，例如Counter、defaultdict、OrderedDict、deque以及nametuple。其中Counter、deque以及defaultdict是最常用的类。

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from collections import Counter
 
li = ["Dog", "Cat", "Mouse", 42, "Dog", 42, "Cat", "Dog"]
a = Counter(li)
print a # Counter({'Dog': 3, 42: 2, 'Cat': 2, 'Mouse': 1})

#若要统计一个list中不同单词的数目，可以这么用：
print len(set(li)) # 4

#如果需要对结果进行分组，可以这么做：
print "{0} : {1}".format(a.values(),a.keys())  # [1, 3, 2] : ['Mouse', 'Dog', 'Cat']
print(a.most_common(3)) # [('Dog', 3), ('Cat', 2), ('Mouse', 1)]

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Deque是一种由队列结构扩展而来的双端队列(double-ended queue)，队列元素能够在队列两端添加或删除。
因此它还被称为头尾连接列表(head-tail linked list)，尽管叫这个名字的还有另一个特殊的数据结构实现。

Deque支持线程安全的，经过优化的append和pop操作，在队列两端的相关操作都能够达到近乎O(1)的时间复杂度。
虽然list也支持类似的操作，但是它是对定长列表的操作表现很不错，而当遇到pop(0)和insert(0, v)这样既改变了列表的长度
又改变其元素位置的操作时，其复杂度就变为O(n)了。

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import time
from collections import deque
 
num = 100000
 
def append(c):
    for i in range(num):
        c.append(i)
 
def appendleft(c):
    if isinstance(c, deque):
        for i in range(num):
            c.appendleft(i)
    else:
        for i in range(num):
            c.insert(0, i)
def pop(c):
    for i in range(num):
        c.pop()
 
def popleft(c):
    if isinstance(c, deque):
        for i in range(num):
            c.popleft()
    else:
        for i in range(num):
            c.pop(0)
 
for container in [deque, list]:
    for operation in [append, appendleft, pop, popleft]:
        c = container(range(num))
        start = time.time()
        operation(c)
        elapsed = time.time() - start
        print "Completed {0}/{1} in {2} seconds: {3} ops/sec".format(
              container.__name__, operation.__name__, elapsed, num / elapsed)
 
# Completed deque/append in 0.0250000953674 seconds: 3999984.74127 ops/sec
# Completed deque/appendleft in 0.0199999809265 seconds: 5000004.76838 ops/sec
# Completed deque/pop in 0.0209999084473 seconds: 4761925.52225 ops/sec
# Completed deque/popleft in 0.0199999809265 seconds: 5000004.76838 ops/sec
# Completed list/append in 0.0220000743866 seconds: 4545439.17637 ops/sec
# Completed list/appendleft in 21.3209998608 seconds: 4690.21155917 ops/sec
# Completed list/pop in 0.0240001678467 seconds: 4166637.52682 ops/sec
# Completed list/popleft in 4.01799988747 seconds: 24888.0046791 ops/sec

#另一个例子是执行基本的队列操作：
from collections import deque
q = deque(range(5))
q.append(5)
q.appendleft(6)
print q
print q.pop()
print q.popleft()
print q.rotate(3)
print q
print q.rotate(-1)
print q
 
# deque([6, 0, 1, 2, 3, 4, 5])
# 5
# 6
# None
# deque([2, 3, 4, 0, 1])
# None
# deque([3, 4, 0, 1, 2])


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Defaultdict

这个类型除了在处理不存在的键的操作之外与普通的字典完全相同。当查找一个不存在的键操作发生时，
它的default_factory会被调用，提供一个默认的值，并且将这对键值存储下来。其他的参数同普通的字典方法dict()一致，
一个defaultdict的实例同内建dict一样拥有同样地操作。

defaultdict对象在当你希望使用它存放追踪数据的时候很有用。

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#假定你希望追踪一个单词在字符串中的位置，那么你可以这么做：

from collections import defaultdict
 
s = "the quick brown fox jumps over the lazy dog"
 
words = s.split()
location = defaultdict(list)
for m, n in enumerate(words):
    location[n].append(m)
 
print location
 
# defaultdict(<type 'list'>, {'brown': [2], 'lazy': [7], 'over': [5], 'fox': [3],
# 'dog': [8], 'quick': [1], 'the': [0, 6], 'jumps': [4]})

#是选择lists或sets与defaultdict搭配取决于你的目的，使用list能够保存你插入元素的顺序，而使用set则不关心元素插入顺序，它会帮助消除重复元素。

from collections import defaultdict
 
s = "the quick brown fox jumps over the lazy dog"
 
words = s.split()
location = defaultdict(set)
for m, n in enumerate(words):
    location[n].add(m)
 
print location
 
# defaultdict(<type 'set'>, {'brown': set([2]), 'lazy': set([7]), 
# 'over': set([5]), 'fox': set([3]), 'dog': set([8]), 'quick': set([1]), 
# 'the': set([0, 6]), 'jumps': set([4])})

#另一种创建multidict的方法：
s = "the quick brown fox jumps over the lazy dog"
d = {}
words = s.split()
 
for key, value in enumerate(words):
    d.setdefault(key, []).append(value)
print d
 
# {0: ['the'], 1: ['quick'], 2: ['brown'], 3: ['fox'], 4: ['jumps'], 5: ['over'], 6: ['the']

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array模块定义了一个很像list的新对象类型，不同之处在于它限定了这个类型只能装一种类型的元素。
array元素的类型是在创建并使用的时候确定的。

如果你的程序需要优化内存的使用，并且你确定你希望在list中存储的数据都是同样类型的，那么使用array模块很合适。
举个例子，如果需要存储一千万个整数，如果用list，那么你至少需要160MB的存储空间，然而如果使用array，你只需要40MB。
但虽然说能够节省空间，array上几乎没有什么基本操作能够比在list上更快。

在使用array进行计算的时候，需要特别注意那些创建list的操作。例如，使用列表推导式(list comprehension)的时候，
会将array整个转换为list，使得存储空间膨胀。一个可行的替代方案是使用生成器表达式创建新的array

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import array
 
a = array.array("i", [1,2,3,4,5])
b = array.array(a.typecode, (2*x for x in a))

#因为使用array是为了节省空间，所以更倾向于使用in-place操作。一种更高效的方法是使用enumerate

import array
 
a = array.array("i", [1,2,3,4,5])
for i, x in enumerate(a):
    a[i] = 2*x

import array
from timeit import Timer
 
def arraytest():
    a = array.array("i", [1, 2, 3, 4, 5])
    b = array.array(a.typecode, (2 * x for x in a))
 
def enumeratetest():
    a = array.array("i", [1, 2, 3, 4, 5])
    for i, x in enumerate(a):
        a[i] = 2 * x
 
if __name__=='__main__':
    m = Timer("arraytest()", "from __main__ import arraytest")
    n = Timer("enumeratetest()", "from __main__ import enumeratetest")
 
    print m.timeit() # 5.22479210582
    print n.timeit() # 4.34367196717

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heapq模块使用一个用堆实现的优先级队列。堆是一种简单的有序列表，并且置入了堆的相关规则。

堆是一种树形的数据结构，树上的子节点与父节点之间存在顺序关系。二叉堆(binary heap)能够用一个经过组织的列表或数组结构来标识，
在这种结构中，元素N的子节点的序号为2*N+1和2*N+2(下标始于0)。简单来说，这个模块中的所有函数都假设序列是有序的，
所以序列中的第一个元素(seq[0])是最小的，序列的其他部分构成一个二叉树，并且seq[i]节点的子节点分别为seq[2*i+1]以及
seq[2*i+2]。当对序列进行修改时，相关函数总是确保子节点大于等于父节点。
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import heapq
 
heap = []
 
for value in [20, 10, 30, 50, 40]:
    heapq.heappush(heap, value)
 
while heap:
    print heapq.heappop(heap)

#heapq模块有两个函数nlargest()和nsmallest()
import heapq
 
nums = [1, 8, 2, 23, 7, -4, 18, 23, 42, 37, 2]
print(heapq.nlargest(3, nums)) # Prints [42, 37, 23]
print(heapq.nsmallest(3, nums)) # Prints [-4, 1, 2]

#两个函数也能够通过一个键参数使用更为复杂的数据结构
import heapq
 
portfolio = [
{'name': 'IBM', 'shares': 100, 'price': 91.1},
{'name': 'AAPL', 'shares': 50, 'price': 543.22},
{'name': 'FB', 'shares': 200, 'price': 21.09},
{'name': 'HPQ', 'shares': 35, 'price': 31.75},
{'name': 'YHOO', 'shares': 45, 'price': 16.35},
{'name': 'ACME', 'shares': 75, 'price': 115.65}
]
cheap = heapq.nsmallest(3, portfolio, key=lambda s: s['price'])
expensive = heapq.nlargest(3, portfolio, key=lambda s: s['price'])
 
print cheap
 
# [{'price': 16.35, 'name': 'YHOO', 'shares': 45},
# {'price': 21.09, 'name': 'FB', 'shares': 200}, {'price': 31.75, 'name': 'HPQ', 'shares': 35}]
 
print expensive
 
# [{'price': 543.22, 'name': 'AAPL', 'shares': 50}, {'price': 115.65, 'name': 'ACME', 
# 'shares': 75}, {'price': 91.1, 'name': 'IBM', 'shares': 100}]

#看看如何实现一个根据给定优先级进行排序，并且每次pop操作都返回优先级最高的元素的队列例子

import heapq
 
class Item:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
 
    def __repr__(self):
        return 'Item({!r})'.format(self.name)
 
class PriorityQueue:
    def __init__(self):
        self._queue = []
        self._index = 0
 
    def push(self, item, priority):
        heapq.heappush(self._queue, (-priority, self._index, item))
        self._index += 1
 
    def pop(self):
        return heapq.heappop(self._queue)[-1]
 
q = PriorityQueue()
q.push(Item('foo'), 1)
q.push(Item('bar'), 5)
q.push(Item('spam'), 4)
q.push(Item('grok'), 1)
 
print q.pop() # Item('bar')
print q.pop() # Item('spam')
print q.pop() # Item('foo')
print q.pop() # Item('grok')

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bisect模块能够提供保持list元素序列的支持。它使用了二分法完成大部分的工作。
它在向一个list插入元素的同时维持list是有序的。在某些情况下，这比重复的对一个list进行排序更为高效，
并且对于一个较大的list来说，对每步操作维持其有序也比对其排序要高效。

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import bisect
 
a = [(0, 100), (150, 220), (500, 1000)]
 
bisect.insort_right(a, (250,400))
 
print a # [(0, 100), (150, 220), (250, 400), (500, 1000)]

#使用bisect()函数来寻找插入点：
import bisect
 
a = [(0, 100), (150, 220), (500, 1000)]
 
bisect.insort_right(a, (250,400))
bisect.insort_right(a, (399, 450))
print a # [(0, 100), (150, 220), (250, 400), (500, 1000)]
 
print bisect.bisect(a, (550, 1200)) # 5

#bisect(sequence, item) => index 返回元素应该的插入点，但序列并不被修改。
import bisect
 
a = [(0, 100), (150, 220), (500, 1000)]
 
bisect.insort_right(a, (250,400))
bisect.insort_right(a, (399, 450))
print a # [(0, 100), (150, 220), (250, 400), (500, 1000)]
 
print bisect.bisect(a, (550, 1200)) # 5
bisect.insort_right(a, (550, 1200))
print a # [(0, 100), (150, 220), (250, 400), (399, 450), (500, 1000), (550, 1200)]


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weakref模块能够帮助我们创建Python引用，却不会阻止对象的销毁操作。这一节包含了weak reference的基本用法，
并且引入一个代理类。

在开始之前，我们需要明白什么是strong reference。strong reference是一个对对象的引用次数、
生命周期以及销毁时机产生影响的指针。strong reference如你所见，就是当你将一个对象赋值给一个变量的时候产生的：

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Weak reference则是对对象的引用计数器不会产生影响。当一个对象存在weak reference时，并不会影响对象的撤销。这就说，如果一个对象仅剩下weak reference，那么它将会被销毁。

你可以使用weakref.ref函数来创建对象的weak reference。这个函数调用需要将一个strong reference作为第一个参数传给函数，并且返回一个weak reference。

最好将weak reference用于开销较大的对象，或避免循环引用(虽然垃圾回收器经常干这种事情)。
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import weakref
import gc
 
class MyObject(object):
    def my_method(self):
        print 'my_method was called!'
 
obj = MyObject()
r = weakref.ref(obj)
 
gc.collect()
assert r() is obj #r() allows you to access the object referenced: it's there.
 
obj = 1 #Let's change what obj references to
gc.collect()
assert r() is None #There is no object left: it was gc'ed.

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通过shallow或deep copy语法提供复制对象的函数操作。

shallow和deep copying的不同之处在于对于混合型对象的操作(混合对象是包含了其他类型对象的对象，例如list或其他类实例)。
•对于shallow copy而言，它创建一个新的混合对象，并且将原对象中其他对象的引用插入新对象。
•对于deep copy而言，它创建一个新的对象，并且递归地复制源对象中的其他对象并插入新的对象中。

普通的赋值操作知识简单的将心变量指向源对象。

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import copy
 
a = [1,2,3]
b = [4,5]
 
c = [a,b]
 
# Normal Assignment
d = c
 
print id(c) == id(d)          # True - d is the same object as c
print id(c[0]) == id(d[0])    # True - d[0] is the same object as c[0]
 
# Shallow Copy
d = copy.copy(c)
 
print id(c) == id(d)          # False - d is now a new object
print id(c[0]) == id(d[0])    # True - d[0] is the same object as c[0]
 
# Deep Copy
d = copy.deepcopy(c)
 
print id(c) == id(d)          # False - d is now a new object
print id(c[0]) == id(d[0])    # False - d[0] is now a new object

#shallow copy (copy())操作创建一个新的容器，其包含的引用指向原对象中的对象。

#deep copy (deepcopy())创建的对象包含的引用指向复制出来的新对象。

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假定我有两个类，名为Manager和Graph，每个Graph包含了一个指向其manager的引用，而每个Manager有一个指向其管理的Graph的集合，现在我们有两个任务需要完成：

1) 复制一个graph实例，使用deepcopy，但其manager指向为原graph的manager。

2) 复制一个manager，完全创建新manager，但拷贝原有的所有graph。

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import weakref, copy
 
class Graph(object):
    def __init__(self, manager=None):
        self.manager = None if manager is None else weakref.ref(manager)
    def __deepcopy__(self, memodict):
        manager = self.manager()
        return Graph(memodict.get(id(manager), manager))
 
class Manager(object):
    def __init__(self, graphs=[]):
        self.graphs = graphs
        for g in self.graphs:
            g.manager = weakref.ref(self)
 
a = Manager([Graph(), Graph()])
b = copy.deepcopy(a)
 
if [g.manager() is b for g in b.graphs]:
    print True # True
 
if copy.deepcopy(a.graphs[0]).manager() is a:
    print True # True

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Pprint模块能够提供比较优雅的数据结构打印方式，如果你需要打印一个结构较为复杂，层次较深的字典或是JSON对象时，使用Pprint能够提供较好的打印结果。

假定你需要打印一个矩阵，当使用普通的print时，你只能打印出普通的列表，不过如果使用pprint，你就能打出漂亮的矩阵结构

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import pprint
 
matrix = [ [1,2,3], [4,5,6], [7,8,9] ]
a = pprint.PrettyPrinter(width=20)
a.pprint(matrix)
 
# [[1, 2, 3],
#  [4, 5, 6],
#  [7, 8, 9]]

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#--- 单链链表
#------------------------------------------------------------
class Node:
    def __init__(self):
        self.data = None
        self.nextNode = None
 
    def set_and_return_Next(self):
        self.nextNode = Node()
        return self.nextNode
 
    def getNext(self):
        return self.nextNode
 
    def getData(self):
        return self.data
 
    def setData(self, d):
        self.data = d
 
class LinkedList:
    def buildList(self, array):
        self.head = Node()
        self.head.setData(array[0])
        self.temp = self.head
        for i in array[1:]:
            self.temp = self.temp.set_and_return_Next()
            self.temp.setData(i)
            self.tail = self.temp
        return self.head
    def printList(self):
        tempNode = self.head
        while(tempNode!=self.tail):
            print(tempNode.getData())
            tempNode = tempNode.getNext()
        print(self.tail.getData())
myArray = [3, 5, 4, 6, 2, 6, 7, 8, 9, 10, 21]
 
myList = LinkedList()
myList.buildList(myArray)
myList.printList()

#------------------------------------------------------------
#--- 用Python实现的普林姆算法
#------------------------------------------------------------
from collections import defaultdict
from heapq import heapify, heappop, heappush
 
def prim( nodes, edges ):
    conn = defaultdict( list )
    for n1,n2,c in edges:
        conn[ n1 ].append( (c, n1, n2) )
        conn[ n2 ].append( (c, n2, n1) )
 
    mst = []
    used = set( nodes[ 0 ] )
    usable_edges = conn[ nodes[0] ][:]
    heapify( usable_edges )
 
    while usable_edges:
        cost, n1, n2 = heappop( usable_edges )
        if n2 not in used:
            used.add( n2 )
            mst.append( ( n1, n2, cost ) )
 
            for e in conn[ n2 ]:
                if e[ 2 ] not in used:
                    heappush( usable_edges, e )
    return mst
 
#test
nodes = list("ABCDEFG")
edges = [ ("A", "B", 7), ("A", "D", 5),
          ("B", "C", 8), ("B", "D", 9), ("B", "E", 7),
      ("C", "E", 5),
      ("D", "E", 15), ("D", "F", 6),
      ("E", "F", 8), ("E", "G", 9),
      ("F", "G", 11)]
 
print "prim:", prim( nodes, edges )