Python实现基本线性数据结构


Posted in Python onAugust 22, 2016

数组

数组的设计

数组设计之初是在形式上依赖内存分配而成的,所以必须在使用前预先请求空间。这使得数组有以下特性:

     1、请求空间以后大小固定,不能再改变(数据溢出问题);

     2、在内存中有空间连续性的表现,中间不会存在其他程序需要调用的数据,为此数组的专用内存空间;

     3、在旧式编程语言中(如有中阶语言之称的C),程序不会对数组的操作做下界判断,也就有潜在的越界操作的风险(比如会把数据写在运行中程序需要调用的核心部分的内存上)。

因为简单数组强烈倚赖电脑硬件之内存,所以不适用于现代的程序设计。欲使用可变大小、硬件无关性的数据类型,Java等程序设计语言均提供了更高级的数据结构:ArrayListVector等动态数组。

Python的数组

从严格意义上来说:Python里没有严格意义上的数组。

List可以说是Python里的数组,下面这段代码是CPython的实现List的结构体:

typedef struct {
 PyObject_VAR_HEAD
 /* Vector of pointers to list elements. list[0] is ob_item[0], etc. */
 PyObject **ob_item;

 /* ob_item contains space for 'allocated' elements. The number
  * currently in use is ob_size.
  * Invariants:
  *  0 <= ob_size <= allocated
  *  len(list) == ob_size
  *  ob_item == NULL implies ob_size == allocated == 0
  * list.sort() temporarily sets allocated to -1 to detect mutations.
  *
  * Items must normally not be NULL, except during construction when
  * the list is not yet visible outside the function that builds it.
  */
 Py_ssize_t allocated;
} PyListObject;

当然,在Python里它就是数组。
后面的一些结构也将用List来实现。

堆栈

什么是堆栈

堆栈(英语:stack),也可直接称栈,在计算机科学中,是一种特殊的串列形式的数据结构,它的特殊之处在于只能允许在链接串列或阵列的一端(称为堆叠顶端指标,英语:top)进行加入资料(英语:push)和输出资料(英语:pop)的运算。另外堆叠也可以用一维阵列或连结串列的形式来完成。堆叠的另外一个相对的操作方式称为伫列。

由于堆叠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。

特点

     1、先入后出,后入先出。

     2、除头尾节点之外,每个元素有一个前驱,一个后继。

操作

从原理可知,对堆栈(栈)可以进行的操作有:

     1、top() :获取堆栈顶端对象

     2、push() :向栈里添加一个对象

     3、pop() :从栈里推出一个对象

实现

class my_stack(object):
 def __init__(self, value):
  self.value = value
  # 前驱
  self.before = None
  # 后继
  self.behind = None

 def __str__(self):
  return str(self.value)


def top(stack):
 if isinstance(stack, my_stack):
  if stack.behind is not None:
   return top(stack.behind)
  else:
   return stack


def push(stack, ele):
 push_ele = my_stack(ele)
 if isinstance(stack, my_stack):
  stack_top = top(stack)
  push_ele.before = stack_top
  push_ele.before.behind = push_ele
 else:
  raise Exception('不要乱扔东西进来好么')


def pop(stack):
 if isinstance(stack, my_stack):
  stack_top = top(stack)
  if stack_top.before is not None:
   stack_top.before.behind = None
   stack_top.behind = None
   return stack_top
  else:
   print('已经是栈顶了')

队列

什么是队列

和堆栈类似,唯一的区别是队列只能在队头进行出队操作,所以队列是是先进先出(FIFO, First-In-First-Out)的线性表

特点

      1、先入先出,后入后出

      2、除尾节点外,每个节点有一个后继

      3、(可选)除头节点外,每个节点有一个前驱

操作

      1、push() :入队

      2、pop() :出队

实现

普通队列

class MyQueue():
 def __init__(self, value=None):
  self.value = value
  # 前驱
  # self.before = None
  # 后继
  self.behind = None

 def __str__(self):
  if self.value is not None:
   return str(self.value)
  else:
   return 'None'


def create_queue():
 """仅有队头"""
 return MyQueue()


def last(queue):
 if isinstance(queue, MyQueue):
  if queue.behind is not None:
   return last(queue.behind)
  else:
   return queue


def push(queue, ele):
 if isinstance(queue, MyQueue):
  last_queue = last(queue)
  new_queue = MyQueue(ele)
  last_queue.behind = new_queue


def pop(queue):
 if queue.behind is not None:
  get_queue = queue.behind
  queue.behind = queue.behind.behind
  return get_queue
 else:
  print('队列里已经没有元素了')

def print_queue(queue):
 print(queue)
 if queue.behind is not None:
  print_queue(queue.behind)

链表

什么是链表

链表(Linked list)是一种常见的基础数据结构,是一种线性表,但是并不会按线性的顺序存储数据,而是在每一个节点里存到下一个节点的指针(Pointer)。由于不必须按顺序存储,链表在插入的时候可以达到O(1)的复杂度,比另一种线性表顺序表快得多,但是查找一个节点或者访问特定编号的节点则需要O(n)的时间,而顺序表相应的时间复杂度分别是O(logn)和O(1)。

特点

使用链表结构可以克服数组链表需要预先知道数据大小的缺点,链表结构可以充分利用计算机内存空间,实现灵活的内存动态管理。但是链表失去了数组随机读取的优点,同时链表由于增加了结点的指针域,空间开销比较大。

操作

      1、init() :初始化

      2、insert() : 插入

      3、trave() : 遍历

      4、delete() : 删除

      5、find() : 查找

实现

此处仅实现双向列表

class LinkedList():
 def __init__(self, value=None):
  self.value = value
  # 前驱
  self.before = None
  # 后继
  self.behind = None

 def __str__(self):
  if self.value is not None:
   return str(self.value)
  else:
   return 'None'


def init():
 return LinkedList('HEAD')


def delete(linked_list):
 if isinstance(linked_list, LinkedList):
  if linked_list.behind is not None:
   delete(linked_list.behind)
   linked_list.behind = None
   linked_list.before = None
  linked_list.value = None

总结

以上就是利用Python实现基本线性数据结构的全部内容,希望这篇文章对大家学习Python能有所帮助。如果有疑问可以留言讨论。

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