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 None

    def peek(self):
        if not self.is_empty():
            return self.items[-1]
        return None

    def is_empty(self):
        return len(self.items) == 0

    def 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 None

    def peek(self):
        if not self.is_empty():
            return self.items[0]
        return None

    def is_empty(self):
        return len(self.items) == 0

    def 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.