数据结构的栈，队列，双端队列，顺序表，链表，二叉树

基础数据结构

栈（stack）

  栈（stack）又名堆栈，它是一种运算受限的线性表。其限制是仅允许在表的一端进行插入和删除运算。
这一端被称为栈顶，相对地，把另一端称为栈底。向一个栈插入新元素又称作进栈、入栈或压栈，
它是把新元素放到栈顶元素的上面，使之成为新的栈顶元素；从一个栈删除元素又称作出栈或退栈，
它是把栈顶元素删除掉，使其相邻的元素成为新的栈顶元素。

栈作为一种数据结构，是一种只能在一端进行插入和删除操作的特殊线性表。它按照先进后出的原则存储数据，
先进入的数据被压入栈底，最后的数据在栈顶，需要读数据的时候从栈顶开始弹出数据（最后一个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。

- 特性：先进后出的数据结构

# 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。

# 使用python代码实现一个栈
- 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 peek(self):
        return len(self.items) - 1
    def isempty(self):
        return self.items == []
    def size(self):
        return len(self.items)
    
stack = stack()
stack.push(1)
stack.push(2)
stack.push(3)

print('栈顶元素下标：',stack.peek())
print(stack.isempty())
print('元素个数：',stack.size())
print(stack.pop())
print(stack.pop())
print(stack.pop())

队列 (queue)

- 队列：先进先出
- 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。

# 使用python代码实现一个队列
- 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 isempty(self):
        return self.items == []
    def size(self):
        return len(self.items)

q = queue()
q.enqueue(1)
q.enqueue(2)
q.enqueue(3)
print(q.dequeue())
print(q.dequeue())
print(q.dequeue())    

# 面试题
- 烫手的山芋
    - 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。
# 解题思路
    - 让手里有山芋的孩子永远排在队列的头部
class queue():
    def __init__(self):
        self.items = []
    def enqueue(self,item):
        self.items.insert(0,item)
    def dequeue(self):
        return self.items.pop()
    def isempty(self):
        return self.items == []
    def size(self):
        return len(self.items)
    
kids = ['a','b','c','d','e','f']
queue = queue()
for kid in kids:
    queue.enqueue(kid) #a对头f队尾
while queue.size() > 1:
    for i in range(6): #每循环一次，山芋传递一次，手里有山芋的孩子永远在对头位置
        kid = queue.dequeue()
        queue.enqueue(kid)
    queue.dequeue()
print('获胜的选手是：',queue.dequeue())
for a in range(len(kids)):
    if kids[a] == kid:   
        print('排在第：%d会获胜'%a)  
# 执行结果
获胜的选手是： e
排在第：4会获胜

# 面试题 使用两个队列实现一个栈
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)
    
alist = [1,2,3,4,5]
q1 = queue()
for i in alist:
    q1.enqueue(i)
q2 = queue()
while q1.size() > 0:
    #将q1中的n-1个值取出放入到q2中
    while q1.size() > 1:
        item = q1.dequeue()
        q2.enqueue(item)
    print(q1.dequeue())

    q1,q2 = q2,q1    

双端队列 ( deque )

同队列相比，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.

# 用python代码实现一个双端队列
- 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 deque():
    def __init__(self):
        self.items = []
    def addfront(self,item):
        self.items.insert(0,item)
    def addrear(self,item):
        self.items.append(item)
    def removefront(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)
    
q = deque()
q.addfront(1)
q.addfront(2)
q.addfront(3)

print(q.removerear())
print(q.removerear())
print(q.removerear())

- 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。
class deque():
    def __init__(self):
        self.items = []
    def addfront(self,item):
        self.items.insert(0,item)
    def addrear(self,item):
        self.items.append(item)
    def removefront(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)
    
def ishuiwen(s):
    ex = true
    q = deque()
    for ch in s:
        q.addfront(ch)
    while q.size() > 1:
        if q.removefront() != q.removerear():
            ex = false
            break
    return ex
print(ishuiwen('上海自来水来自海上'))
# 执行结果
true

顺序表 与 内存

• 简单了解一下内存

- 内存在计算机的作用
    - 用来存储和运算二进制的数据
- 问题：计算机如何计算1+2？
    - 将1和2的二进制类型的数据加载到计算机的内存中，然后使用寄存器进行数值的预算。
- 变量的概念
    - 变量可以理解为某一块内存(实际是引用的某一块内存的地址)
    - 内存空间是有两个默认的属性：
        - 内存空间的大小
            - bit（位）：一个bit大小的内存空间只能存放一位二进制的数
            - byte（字节）：8bit
            - kb：1024byte
        - 内存空间的地址
            - 使用一个十六进制的数值表示
            - 作用：让cup寻址
                       
- 理解a=10的内存图（引用，指向）
    - 引用：变量==》内存空间的地址
    - a = 10：a变量/引用/内存空间的地址
    - 指向：如果变量或者引用表示的是某一块内存空间地址的话，则该变量或者该引用指向了该块内存

• 顺序表

- 集合中存储的元素是有顺序的，顺序表的结构可以分为两种形式：单数据类型(np.array数组)和多数据类型(列表,元组)。

- python中的列表和元组就属于多数据类型的顺序表

- 单数据类型顺序表的内存图 (内存连续开辟,每个内存空间大小一致)

- 多数据类型顺序表的内存图（内存非连续开辟）

• 顺序表的弊端：顺序表的结构需要预先知道数据大小来申请连续的存储空间，而在进行扩充时又需要进行数据的搬迁。

链表 （linked list）

- 链表（linked list）是一种常见的基础数据结构，是一种线性表，但是不像顺序表一样连续存储数据，
而是每一个结点（数据存储单元）里存放下一个结点的信息（即地址）

- 相对于顺序表，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且进行扩充时不需要进行数据搬迁。

- 使用python实现单向链表

. is_empty()：链表是否为空

. length()：链表长度

. travel()：遍历整个链表

. add(item)：链表头部添加元素

. append(item)：链表尾部添加元素

. insert(pos, item)：指定位置添加元素

. remove(item)：删除节点

. search(item)：查找节点是否存在

# 代码
class node():
    def __init__(self,item):
        self.item = item
        self.next = none
        
class link():
    def __init__(self):
        #构造出一个空链表
        #_head存储的只能是空或者第一个节点的地址
        self._head = none
    #向链表的头部插入一个节点
    def add(self,item):
        #创建一个新的节点
        node = node(item)
        node.next = self._head
        self._head = node
        
    def travel(self):
        #_head在链表创建好之后一定是不可变
        cur = self._head
        while cur:
            print(cur.item)
            cur = cur.next
            
    def isempty(self):
        return self._head == none
    
    def size(self):
        cur = self._head
        count = 0
        while cur:
            count += 1
            cur = cur.next
        return count
    
    def append(self,item):
        node = node(item)
        #特殊情况
        if self._head == none:
            self._head = node
            return
        
        cur = self._head
        pre = none#pre指向的是cur前一个节点
        while cur:
            pre = cur
            cur = cur.next
        pre.next = node
    
    def search(self,item):
        find = false
        
        cur = self._head
        while cur:
            if cur.item == item:
                find = true
                break
            cur = cur.next
        
        return find
    
    def insert(self,pos,item):
        node = node(item)
        pre = none
        cur = self._head
        for i in range(pos):
            pre = cur
            cur = cur.next
        pre.next = node
        node.next = cur
        
    def remove(self,item):
        cur = self._head
        pre = none
        #删除的是第一个节点
        if cur.item == item:
            self._head = cur.next
            return
        while cur:  
            pre = cur
            cur = cur.next
            if cur.next == none:
                return
            if cur.item == item:
                pre.next = cur.next
                return      

- 如何实现将单链表倒置

# 单链表（插入，删除，遍历）
class node():
   def __init__(self,item):
       self.item = item
       self.next = none
class link():
   def __init__(self):
       self._head = none
   def append(self,item):
       node = node(item)
       if self._head == none:
           self._head = node
           return
       cur = self._head
       pre = none
       
       while cur:
           pre = cur
           cur = cur.next
       pre.next = node
   def travel(self):
       cur = self._head
       while cur:
           print(cur.item)
           cur = cur.next
   def remove(self,item):
       cur = self._head
       pre = none
       #删除的是第一个节点
       if cur.item == item:
           self._head = cur.next
           return
       while cur:
           pre = cur
           cur = cur.next
           if item == cur.item:
               pre.next = cur.next
               return
   
   def reverse(self):
       cur = self._head
       pre = none
       next_node = cur.next
       
       while cur:
           cur.next = pre
           pre = cur
           cur = next_node
           if cur:
               next_node = cur.next
       self._head = pre
   
# 双向链表就是连续开辟三个内存空间,分别存放 数据 上个节点内存地址 下个节点内存地址   

二叉树

• 二叉树
  • 根节点
  • 叶子节点：
    • 左叶子节点
    • 右叶子节点
  • 树的层级/树的高度
• 二叉树的遍历
  • 广度优先遍历
    • 一层一层对节点进行遍历
  • 深度优先遍历
    • 前序：根左右
    • 中序：左根右
    • 后序：左右根

# 使用python代码实现二叉树
class node():
    def __init__(self,item):
        self.item = item
        self.left = none
        self.right = none    
class tree():
    def __init__(self):
        self.root = none
    def addnode(self,item):
        node = node(item)
        #如果插入第一个节点的情况
        if self.root == none:
            self.root = node
            return
        cur = self.root
        q = [cur] #列表元素是我们进行遍历判断的节点
        while q:
            nd = q.pop(0)
            if nd.left == none:
                nd.left = node
                return
            else:
                q.append(nd.left)
            if nd.right == none:
                nd.right = node
                return
            else:
                q.append(nd.right)
    def travel(self):  #广度优先遍历
        cur = self.root
        q = [cur]
        while q:
            nd = q.pop(0)
            print(nd.item)
            if nd.left:
                q.append(nd.left)
            if nd.right:
                q.append(nd.right)
                
    def forwoar(self,root): #深度优先 前序:根左右
        if root == none:
            return
        print(root.item)
        self.forwoar(root.left)
        self.forwoar(root.right)
    def middle(self,root):  #深度优先 前序:左根右
        if root == none:
            return
        self.middle(root.left)
        print(root.item)
        self.middle(root.right)
    def back(self,root):   #深度优先 前序:左右根
        if root == none:
            return
        self.back(root.left)
        self.back(root.right)
        print(root.item)

郭楷丰
出 处：https://www.cnblogs.com/guokaifeng/