一、栈
基本概念
栈：又名堆栈，是一种运算受限的线性表，仅允许在线性表的一端进行插入(push)和移除(pop)运算，可以进行运算的一端称为栈顶，另一端称为栈底。遵循先进后出原理。先进入的数据被压入栈底，后放入的数据置于栈顶。桟的插入数据、删除数据操作都是实现在栈顶当中：读取数据的时候从栈顶开始弹出数据（最后一个插入的数据被第一个读出来）。栈具有记忆作用，对栈的插入与删除操作中，不需要改变栈底指针。向栈中插入新元素称为进栈、压栈、入栈（PUSH），即把新元素放入栈顶元素的上面，使之成为新的栈顶元素。从栈中删除元素成为出栈、退栈（POP），即将栈顶元素删除，让其相邻的元素成为新的栈顶元素。允许进行插入和移除操作的一端称为栈顶(top)，另一端为栈底(bottom)；栈底固定，而栈顶浮动；栈中元素个数为零时称为空栈，栈也称为后进先出表。举个栗子：一群人挤电梯时，先进电梯的人想要出来，必须让后进电梯的人出去之后，先进电梯的人才能出去。
两种基本操作
堆栈常用一维数组或链表来实现。包括推入（压栈，push）和弹出（弹栈，pop）：
- 推入：将数据放入栈顶，栈顶指向这个新放入的数据。
- 弹出：将栈顶数据移除，栈顶指向这个移除后数据的下一个数据。
基本特点：
- 先进后出，后进先出
桟的应用场景
- 内存管理中使用的堆栈；
- 基于桟实现的二叉树的遍历；
- 在处理语言的符号对等问题，在语言中，往往很多符号是成对出现的，比如<>,{},[],()等，如何判断符号是否漏了，一种实现方式就是：假设在读入一串字符串以后，如果遇到对称符号的左边部分，则将其压入栈中，当遇到对称符号的右边部分，则弹出栈中的一个对象，如果所有的符号都是平衡的，栈中此时应该就是为空，通过判断栈中是否为空，说明字符串是否是符号平衡的。
代码实现：
### 列表实现桟
class Stack(object):
def __init__(self):
self._li = list()
def peek(self):
"""获取栈顶元素"""
if not self._li:
return None
else:
return self._li[-1]
def push(self, item):
"""推送新元素 """
self._li.append(item)
return self._li[-1]
def pop(self):
""" 弹出栈顶元素"""
if not self._li:
return None
else:
return self._li.pop()
### 链表实现桟
class Node(object):
def __init__(self, elem):
self.elem = elem # 保存着结点对象的真正元素
self.next = None # 保存着当前元素的下一指向
class Stack(object):
def __init__(self):
self._top = None # 栈顶元素的指向
def peek(self):
"""返回栈顶元素"""
if not self._top: # 如果栈顶元素的指向为空,代表是个空桟
return None
else:
# self._top相当于是一个结点对象; self._top.elem取出结点对象的元素
return self._top.elem # 若不是空桟,就返回当前栈顶所指向的元素
def push(self, item):
"""推送新元素"""
node = Node(item) # 创建新结点对象
node.next = self._top # 将新结点对象下一指向原先的栈顶元素，新结点对象变为栈顶元素
self._top = node # 将栈顶元素指向新创建的结点对象
return node.elem # 返回新结点对象的elem属性中保存的元素
def pop(self):
"""弹出栈顶元素"""
if not self._top:
return None
else:
node = self._top.elem # 获取栈顶元素
self._top = self._top.next # 改变新栈顶元素的指向； 新栈顶元素=原栈顶元素的下一指向
return node # 弹出原栈顶元素
In [66]: s = Stack()
In [67]: s.push(1)
Out[67]: 1
In [68]: s.push(2)
Out[68]: 2
In [69]: s.pop()
Out[69]: 2
In [70]: s.pop()
Out[70]: 1
In [72]: print(s.peek())
None
二、队列
基本概念
队列：是一种特殊的线性表，特殊之处在于它只允许在线性表的前端（front）进行删除操作，在线性表的后端（rear）进行插入操作，和栈一样，队列是一种操作受限制的线性表。遵循先进先出（FIFO, First-In-First-Out）原则。进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。队列的数据元素又称为队列元素。在队列中插入一个队列元素称为入队，从队列中删除一个队列元素称为出队；当队列中没有元素时，称为空队列。因为队列只允许在一端插入，在另一端删除，所以只有最早进入队列的元素才能最先从队列中删除，故队列又称为先进先出（FIFO—first in first out）线性表。在具体应用中通常用链表或者数组来实现。举个栗子：现有一只队伍需要过马路，总共有22人，你是最后一个，你为了能够顺利过马路必须等待前面所有人过去之后，你才能过马路，排在第一位的人最先过马路，然后的第二个、第三个 ... 对应着：最先插入线性表的元素，最先被删除/读取。
五种基本操作
- 创建队列：Queue() 初始条件：队q 不存在。 操作结果：创建一个空队；
- 入队(队尾)操作：enqueue(item) 初始条件： 队q 存在。 操作结果： 对已存在的队列q，向队尾插入一个元素item；
- 出队(队头)操作：dequeue() 初始条件: 队q 存在且非空。 操作结果： 删除队首元素，并返回其值；
- 统计队列元素：length() 初始条件: 队q 存在且非空。 操作结果： 返回队列中元素个数；
- 队列判空操作：empty() 初始条件： 队q 存在/不存在。 操作结果： 若q 为空队则返回False，否则返回为True。
基本特点：
先进先出，后进后出
队列的应用场景
- 异步处理，举个栗子：现有用户注册模块，需要同时完成写入注册数据至数据库、发送激活邮件、发送短信验证码。实现包括：串行方式、并行方式
- 串行方式：先将注册信息写入数据库成功后，再发送激活邮件，最后发送短信验证码。以上三个任务依次全部完成后，返回给客户。
- 并行方式：先将注册信息写入数据库成功后，发送注册邮件的同时，一起发送注册短信。以上三个任务完成后，返回给客户端。与串行的差别是，并行的方式可以提高处理的时间。
- 应用解耦，举个栗子：现有用户下单模块，当用户下单后，订单系统需要通知库存系统。传统的做法是，在订单系统调用库存系统的接口。假如库存系统无法访问，则订单系统减库存将失败，从而导致订单失败，订单系统与库存系统耦合度过高。
-
订单系统：用户下单后，在订单系统中将调用库存系统接口的操作放入到消息队列，订单系统中不再阻塞等待库存系统的返回结果。并将订单下单成功返回给用户。
-
库存系统：在消息队列中订阅下单的消息，采用拉/推的方式，获取下单信息，库存系统根据下单信息，进行库存操作。
-
假如：在下单时库存系统不能正常使用。也不影响正常下单，因为下单后，订单系统写入消息队列就不再关心其他的后续操作了。实现订单系统与库存系统的应用解耦。
- 流量削锋，一般在秒杀或团抢活动中使用广泛。举个栗子：现有一个秒杀活动，一般会因为流量过大、暴增而导致应用挂掉。为解决这个问题，一般需要将用户请求加入消息队列，达到控制活动的人数，可以缓解短时间内高流量压垮应用。
- 服务器接收用户请求后，首先写入消息队列。假如消息队列长度超过最大数量，则直接抛弃用户请求或跳转到错误页面。
-
秒杀业务根据消息队列中的请求信息，再做后续处理。
- 消息通讯
- 点对点通讯：客户端A和客户端B使用同一队列，进行消息通讯；
- 聊天室通讯：客户端A，客户端B，客户端N订阅同一主题，进行消息发布和接收。实现类似聊天室效果。
代码实现
### 列表实现队列
class Queues(object):
def __init__(self):
self._li = list()
def is_empty(self):
"""队列判空"""
if len(self._li) == 0:
return True
else:
return False
def length(self):
"""返回队列长度"""
return len(self._li)
def enqueue(self, item):
"""队尾插入元素"""
self._li.append(item)
return self._li[-1]
def dequeue(self):
"""队头删除元素"""
if not self.is_empty():
return None
else:
return self._li.pop(0)
### 链表实现队列