Python 数据结构揭秘：栈与队列
栈（Stack）
定义
栈是一种后进先出（Last In First Out, LIFO）的数据结构。它类似于一个容器，只能在一端进行插入和删除操作。栈有两个主要的操作：push（入栈）和 pop（出栈）.
基本操作
- push（入栈）：将一个元素添加到栈顶.
def push(self, item):self.items.append(item) - pop（出栈）：移除栈顶的元素，并返回该元素.
def pop(self):if not self.is_empty():return self.items.pop()return None - peek（查看栈顶元素）：查看栈顶的元素，但不移除它.
def peek(self):if not self.is_empty():return self.items[-1]return None - is_empty（检查栈是否为空）：判断栈是否为空.
def is_empty(self):return len(self.items) == 0 - size（获取栈的大小）：返回栈中元素的数量.
def size(self):return len(self.items)
实现方式
栈可以用数组或链表来实现。以下是使用 Python 列表实现栈的完整示例：
class Stack:def __init__(self):self.items = []def push(self, item):self.items.append(item)def pop(self):if not self.is_empty():return self.items.pop()return Nonedef peek(self):if not self.is_empty():return self.items[-1]return Nonedef is_empty(self):return len(self.items) == 0def size(self):return len(self.items)
应用场景
- 函数调用栈：在编程语言中，函数调用时会使用栈来存储函数的局部变量和返回地址等信息.
- 表达式求值：用于计算算术表达式，如逆波兰表达式（后缀表达式）的求值.
- 回溯算法：如迷宫求解、八皇后问题等，使用栈来保存回溯过程中的状态.
- 页面浏览历史：浏览器的前进和后退功能可以使用栈来实现.
队列（Queue）
定义
队列是一种先进先出（First In First Out, FIFO）的数据结构。它类似于一个队列，元素从一端进入，从另一端出去。队列有两个主要的操作：enqueue（入队）和 dequeue（出队）.
基本操作
- enqueue（入队）：将一个元素添加到队列的尾部.
def enqueue(self, item):self.items.append(item) - dequeue（出队）：移除队列头部的元素，并返回该元素.
def dequeue(self):if not self.is_empty():return self.items.pop(0)return None - peek（查看队首元素）：查看队列头部的元素，但不移除它.
def peek(self):if not self.is_empty():return self.items[0]return None - is_empty（检查队列是否为空）：判断队列是否为空.
def is_empty(self):return len(self.items) == 0 - size（获取队列的大小）：返回队列中元素的数量.
def size(self):return len(self.items)
实现方式
队列可以用数组或链表来实现。以下是使用 Python 列表实现队列的完整示例：
class Queue:def __init__(self):self.items = []def enqueue(self, item):self.items.append(item)def dequeue(self):if not self.is_empty():return self.items.pop(0)return Nonedef peek(self):if not self.is_empty():return self.items[0]return Nonedef is_empty(self):return len(self.items) == 0def size(self):return len(self.items)
应用场景
- 任务调度：操作系统中的进程调度、打印机任务队列等，按照任务到达的顺序进行调度.
- 缓冲处理：如网络数据包的传输缓冲、音频播放缓冲等，确保数据的顺序性和完整性.
- 广度优先搜索（BFS）：在图的遍历算法中，使用队列来存储待访问的节点.
- 客户服务系统：如银行排队系统、呼叫中心等，按照客户到达的顺序提供服务.
总结
- 栈：适合需要回溯或撤销操作的场景，如函数调用、表达式求值等.
- 队列：适合需要保持元素顺序的场景，如任务调度、缓冲处理等.
栈和队列在实际应用中非常广泛，理解它们的原理和操作方式对于解决各种编程问题具有重要意义.
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