Python实现基本线性数据结构

脚本专栏 2024/11/25 佚名

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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：ArrayList、Vector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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