1-数据结构与算法-栈、队列

栈

• 特性：先进后出的数据结构
• 栈顶，栈尾
  • 入栈：向栈顶添加元素（从栈顶向栈底添加元素）
  • 出栈：从栈顶获取元素（从栈顶取出元素）

• 应用：每个 web 浏览器都有一个返回按钮。当你浏览网页时，这些网页被放置在一个栈中（实际是网页的网址）。你现在查看的网页在顶部，你第一个查看的网页在底部。如果按‘返回’按钮，将按相反的顺序浏览刚才的页面。

• Stack() 创建一个空的新栈。 它不需要参数，并返回一个空栈。
• push(item)将一个新项添加到栈的顶部。它需要 item 做参数并不返回任何内容。
• pop() 从栈中删除顶部项。它不需要参数并返回 item 。栈被修改。
• peek() 从栈返回顶部项，但不会删除它。不需要参数。 不修改栈。
• isEmpty() 测试栈是否为空。不需要参数，并返回布尔值。
• size() 返回栈中的 item 数量。不需要参数，并返回一个整数。

class Stack():
    def __init__(self):
        self.items = []
        
    def push(self, item):
        self.items.append(item)
        
    def pop(self):
        return self.items.pop()
    
    def isEmpty(self):
        return self.items == []
    
    def size(self):
        return len(self.items)
    
    # 返回栈顶元素的下标
    def peek(self):  
        return len(self.items) - 1

队列

• 队列：先进先出
  • 队头：直接从队头出队列（取出元素）
  • 队尾：从队尾添加元素
• 应用场景：
  • 我们的计算机实验室有 30 台计算机与一台打印机联网。当学生想要打印时，他们的打印任务与正在等待的所有其他打印任务“一致”。第一个进入的任务是先完成。如果你是最后一个，你必须等待你前面的所有其他任务打印

• Queue() 创建一个空的新队列。 它不需要参数，并返回一个空队列。
• enqueue(item) 将新项添加到队尾。 它需要 item 作为参数，并不返回任何内容。
• dequeue() 从队首移除项。它不需要参数并返回 item。 队列被修改。
• isEmpty() 查看队列是否为空。它不需要参数，并返回布尔值。
• size() 返回队列中的项数。它不需要参数，并返回一个整数。

class Queue():
    def __init__(self):
        self.items = []
    
    def enqueue(self,item):
        self.items.insert(0,item)
        
    def dequeue(self):
        return self.items.pop()
    
    def size(self):
        return len(self.items)
    
    def isEmpty(self):
        return self.items == []

双端队列

• 同同列相比，有两个头部和尾部。可以在双端进行数据的插入和删除，提供了单数据结构中栈和队列的特性

• Deque() 创建一个空的新 deque。它不需要参数，并返回空的 deque。
• addFront(item) 将一个新项添加到 deque 的首部。它需要 item 参数 并不返回任何内容。
• addRear(item) 将一个新项添加到 deque 的尾部。它需要 item 参数并不返回任何内容。
• removeFront() 从 deque 中删除首项。它不需要参数并返回 item。deque 被修改。
• removeRear() 从 deque 中删除尾项。它不需要参数并返回 item。deque 被修改。
• isEmpty() 测试 deque 是否为空。它不需要参数，并返回布尔值。
• size() 返回 deque 中的项数。它不需要参数，并返回一个整数。

class Dequeue():
    def __init__(self):
        self.items = []
        
    def addFont(self,item):
        self.items.append(item)
        
    def addRear(self,item):
        self.items.insert(0,item)
        
    def removeFont(self):
        return self.items.pop()
    
    def removeRear(self):
        return self.items.pop(0)
    
    def isEmpty(self):
        return self.items == []
    
    def size(self):
        return len(self.items)

应用

案例一：烫手的山芋(队列应用)

• 烫手山芋游戏介绍：6个孩子围城一个圈，排列顺序孩子们自己指定。第一个孩子手里有一个烫手的山芋，需要在计时器计时1秒后将山芋传递给下一个孩子，依次类推。规则是，在计时器每计时7秒时，手里有山芋的孩子退出游戏。该游戏直到剩下一个孩子时结束，最后剩下的孩子获胜。请使用队列实现该游戏策略，排在第几个位置最终会获胜。
• 分析：
  • 1.每轮游戏的时间为7s
  • 2.山芋在一轮游戏中会被传递几次：6次
  • 3.一轮游戏结束后，需要淘汰一个孩子，孩子需要从队列中剔除
    • 队列只能从队头位置取出元素
    • 保证手里有山芋的孩子永远在队头的位置

# 将6个孩子加入到队列中
kids = ['A','B','C','D','E','F']
q = Queue()
for kid in kids:
    q.enqueue(kid)

while q.size() > 1: # 结束游戏的条件
    # 开始一轮游戏
    for i in range(6):# 山芋传递的次数
        kid = q.dequeue() # 将队头的孩子取出
        q.enqueue(kid) # 将队头的孩子取出，添加到队尾
    # 一轮游戏结束需要将队头元素出队列（将手中有山芋的孩子淘汰游戏）
    q.dequeue() 

print(q.dequeue())  # 查看最后剩下的孩子

E

案例二：两个队列实现栈（用俩个先进先出实现先进后出）

q1 = Queue()
q2 = Queue()
items = [1,2,3,4,5,6]
for item in items:
    q1.enqueue(item)

while q1.size() >= 1:
    # 将q1中的前n-1个元素取出加入到q2中
    while q1.size() > 1:
        item = q1.dequeue()  # 将q1留1个，其他元素取出放入q2
        q2.enqueue(item)
    print(q1.dequeue()) # 取出q1剩余的最后一个元素
    q1,q2 = q2,q1  # 将q1，q2互换

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3
2
1

案例三：两个栈实现队列（用俩个先进后出实现先进先出）

s1 = Stack()
s2 = Stack()
items = [1,2,3,4,5,6]
for item in items:
    s1.push(item)
    
while s1.size() >= 1:
    while s1.size() > 1:
        item = s1.pop()
        s2.push(item) # s2:6,5,4,3,2  s1:1
    print(s1.pop()) # s2:6,5,4,3,2  s1:空
    while s2.size() >= 1:
        item = s2.pop()  # s2:空  s1:2,3,4,5,6
        s1.push(item)

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5
6

案例四：回文检查（双端队列）

双端队列应用案例：回文检查

• 回文是一个字符串，读取首尾相同的字符，例如，radar toot madam。

def isHuiWen(aString):
    de = Dequeue()
    for ch in aString:
        de.addFont(ch)
    ex = True
    while de.size()>1:
        # 取出最前和最后元素对比
        if de.removeFont() != de.removeRear():
            ex = False
    return ex

print(isHuiWen('abaa'))