Python教程-如何利用Python列表实现栈和队列？

在Python中，列表是一种非常灵活的数据结构，可以用来实现多种数据结构，比如栈和队列。今天我们先来看看如何用列表实现栈。

1. 栈的基本概念

栈是一种后进先出（LIFO, Last In First Out）的数据结构。想象一下你把书一本一本地放在桌子上，每次只能拿最上面的一本书，这就是栈的工作方式。

2. 使用列表实现栈

Python列表提供了许多内置方法，可以很方便地用来实现栈的基本操作。我们主要会用到以下方法：

append(x): 将元素x添加到列表的末尾。

pop(): 移除列表的最后一个元素并返回它。

示例代码

# 创建一个空的栈

stack = []

# 添加元素到栈中

stack.append(1)

stack.append(2)

stack.append(3)

print("栈的当前状态:", stack) # 输出: [1, 2, 3]

# 弹出栈顶元素

top_element = stack.pop()

print("弹出的元素:", top_element) # 输出: 3

print("栈的当前状态:", stack) # 输出: [1, 2]

3. 栈的常见操作

除了基本的入栈和出栈操作，我们还可以实现一些常见的栈操作，比如检查栈是否为空、获取栈的大小等。

示例代码

# 检查栈是否为空

def is_empty(stack):

return len(stack) == 0

# 获取栈的大小

def size(stack):

return len(stack)

# 示例

stack = []

print("栈是否为空:", is_empty(stack)) # 输出: True

stack.append(1)

print("栈的大小:", size(stack)) # 输出: 1

利用Python列表实现队列

接下来，我们来看看如何用列表实现队列。

1. 队列的基本概念

队列是一种先进先出（FIFO, First In First Out）的数据结构。想象一下你在银行排队，最先来的客户最先被服务，这就是队列的工作方式。

2. 使用列表实现队列

虽然Python列表可以用来实现队列，但直接使用列表的append和pop方法效率不高，因为pop(0)的时间复杂度是O(n)。为了提高效率，我们可以使用collections.deque，它是一个双端队列，支持两端高效的插入和删除操作。

示例代码

from collections import deque

# 创建一个空的队列

queue = deque()

# 添加元素到队列中

queue.append(1)

queue.append(2)

queue.append(3)

print("队列的当前状态:", queue) # 输出: deque([1, 2, 3])

# 弹出队首元素

front_element = queue.popleft()

print("弹出的元素:", front_element) # 输出: 1

print("队列的当前状态:", queue) # 输出: deque([2, 3])

3. 队列的常见操作

除了基本的入队和出队操作，我们还可以实现一些常见的队列操作，比如检查队列是否为空、获取队列的大小等。

示例代码

# 检查队列是否为空

def is_empty(queue):

return len(queue) == 0

# 获取队列的大小

def size(queue):

return len(queue)

# 示例

queue = deque()

print("队列是否为空:", is_empty(queue)) # 输出: True

queue.append(1)

print("队列的大小:", size(queue)) # 输出: 1

实战案例：使用栈和队列解决括号匹配问题

假设我们需要编写一个程序来检查一个字符串中的括号是否匹配。例如，输入字符串 "((()))" 应该返回 True，而输入字符串 "(())(" 应该返回 False。

1. 使用栈实现括号匹配

我们可以使用栈来解决这个问题。每当遇到左括号时，将其压入栈中；每当遇到右括号时，检查栈顶是否有对应的左括号。如果没有，说明括号不匹配。

示例代码

def is_parentheses_matched(s):

stack = []

mapping = {")": "(", "}": "{", "]": "["}

for char in s:

if char in mapping.values():

stack.append(char)

elif char in mapping.keys():

if not stack or stack.pop() != mapping[char]:

return False

else:

continue

return not stack

# 测试

input_str = "((()))"

print(f"输入: {input_str}, 是否匹配: {is_parentheses_matched(input_str)}") # 输出: True

input_str = "(())("

print(f"输入: {input_str}, 是否匹配: {is_parentheses_matched(input_str)}") # 输出: False

2. 使用队列实现括号匹配

虽然使用栈是解决括号匹配问题的常用方法，但也可以尝试使用队列来实现。每当遇到左括号时，将其加入队列；每当遇到右括号时，检查队首是否有对应的左括号。如果没有，说明括号不匹配。

示例代码

from collections import deque

def is_parentheses_matched_with_queue(s):

queue = deque()

mapping = {")": "(", "}": "{", "]": "["}

for char in s:

if char in mapping.values():

queue.append(char)

elif char in mapping.keys():

if not queue or queue.popleft() != mapping[char]:

return False

else:

continue

return not queue

# 测试

input_str = "((()))"

print(f"输入: {input_str}, 是否匹配: {is_parentheses_matched_with_queue(input_str)}") # 输出: True

input_str = "(())("

print(f"输入: {input_str}, 是否匹配: {is_parentheses_matched_with_queue(input_str)}") # 输出: False

总结

本文介绍了如何使用Python列表实现栈和队列，并通过具体的代码示例展示了栈和队列的基本操作。我们还通过一个实战案例，使用栈和队列解决了括号匹配问题。

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发表于 2024-11-11 09:46
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分类：Python开发

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