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Python queue(双端队列)模块及用法(无师自通)

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在“数据结构”课程中最常讲授的数据结构有栈、队列、双端队列。

栈是一种特殊的线性表,它只允许在一端进行插入、删除操作,这一端被称为栈顶(top),另一端则被称为栈底(bottom)。

从栈顶插入一个元素被称为进栈,将一个元素插入栈顶被称为“压入栈”,对应的英文说法为 push;相应地,从栈顶删除一个元素被称为出栈,将一个元素从栈顶删除被称为“弹出栈”,对应的英文说法为 pop。

对于栈而言,最先入栈的元素位于栈底,只有等到上面所有元素都出栈之后,栈底的元素才能出栈。因此栈是一种后进先出(LIFO)的线性表。如图 1 所示为栈的操作示意图。

栈的操作示意图
图 1 栈的操作示意图

队列也是一种特殊的线性表,它只允许在表的前端(front)进行删除操作,在表的后端(rear)进行插入操作。进行插入操作的端被称为队尾,进行删除操作的端被称为队头。

对于一个队列来说,每个元素总是从队列的 rear 端进入队列的,然后等待该元素之前的所有元素都出队之后,当前元素才能出队。因此,队列是一种先进先出(FIFO)的线性表。队列示意图如图 2 所示。

队列示意图
图 2 队列示意图

双端队列(即此处介绍的 deque)代表一种特殊的队列,它可以在两端同时进行插入、删除操作,如图 3 所示。

双端队列示意图
图 3 双端队列示意图

对于一个双端队列来说,它可以从两端分别进行插入、删除操作,如果程序将所有的插入、删除操作都固定在一端进行,那么这个双端队列就变成了栈;如果固定在一端只添加元素,在另一端只删除元素,那么它就变成了队列。因此,deque 既可被当成队列使用,也可被当成栈使用。

deque 位于 collections 包下,在交互式解释器中先导入 collections 包,然后输入 [e for e in dir(collections.deque) if not e.startswith('_')] 命令来查看 deque 的全部方法,可以看到如下输出结果:

>>> from collections import deque
>>> [e for e in dir(deque) if not e.startswith('_')]
['append', 'appendleft', 'clear', 'copy', 'count', 'extend', 'extendleft', 'index', 'insert', 'maxlen', 'pop', 'popleft', 'remove', 'reverse', 'rotate']

从上面的方法可以看出,deque 的方法基本都有两个版本,这就体现了它作为双端队列的特征。deque 的左边(left)就相当于它的队列头(front),右边(right)就相当于它的队列尾(rear):
  • append 和 appendleft:在 deque 的右边或左边添加元素,也就是默认在队列尾添加元素。
  • pop 和 popleft:在 deque 的右边或左边弹出元素,也就是默认在队列尾弹出元素。
  • extend 和 extendleft:在 deque 的右边或左边添加多个元素,也就是默认在队列尾添加多个元素。

deque 中的 clear() 方法用于清空队列:insert() 方法则是线性表的方法,用于在指定位置插入元素。

假如程序要把 deque 当成栈使用,则意味着只在一端添加、删除元素,因此调用 append 和 pop 方法即可。例如如下程序:
from collections import deque
stack = deque(('Kotlin', 'Python'))
# 元素入栈
stack.append('Erlang')
stack.append('Swift')
print('stack中的元素:' , stack)
# 元素出栈,后添加的元素先出栈
print(stack.pop())
print(stack.pop())
print(stack)
运行上面程序,可以看到如下运行结果:

stack中的元素: deque(['Kotlin', 'Python', 'Erlang', 'Swift'])
Swift
Erlang
deque(['Kotlin', 'Python'])

从上面的运行结果可以看出,程序最后入栈的元素“Swift”最先出栈,这体现了栈的 LIFO 的特征。

假如程序要把 deque 当成队列使用,则意味着一端只用来添加元素,另一端只用来删除元素,因此调用 append、popleft 方法即可。例如如下程序:
from collections import deque
q = deque(('Kotlin', 'Python'))
# 元素加入队列
q.append('Erlang')
q.append('Swift')
print('q中的元素:' , q)
# 元素出队列,先添加的元素先出队列
print(q.popleft())
print(q.popleft())
print(q)
运行上面程序,可以看到如下运行结果:

q中的元素: deque(['Kotlin', 'Python', 'Erlang', 'Swift'])
Kotlin
Python
deque(['Erlang', 'Swift'])

从上面的运行结果可以看出,程序先添加的元素“Katlin”最先出队列,这体现了队列的 FIFO 的特征。

此外,deque 还有一个 rotate() 方法,该方法的作用是将队列的队尾元素移动到队头,使之首尾相连。例如如下程序:
from collections import deque
q = deque(range(5))
print('q中的元素:' , q)
# 执行旋转,使之首尾相连
q.rotate()
print('q中的元素:' , q)
# 再次执行旋转,使之首尾相连
q.rotate()
print('q中的元素:' , q)
运行上面程序,可以看到如下输出结果:

q中的元素: deque([0, 1, 2, 3, 4])
q中的元素: deque([4, 0, 1, 2, 3])
q中的元素: deque([3, 4, 0, 1, 2])

从上面的输出结果来看,每次执行 rotate() 方法,deque 的队尾元素都会被移到队头,这样就形成了首尾相连的效果。
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