Python数据结构2-----队列和堆

一、线性结构：栈、队列、双端队列、列表

二、非线性结构：树、图、堆

【算法中看堆是非线性的，因为其相当于完全二叉树，但堆的存储元素是采用线性的顺序表数组来实现的】

三、队列：

1、队列类型：FIFO、LIFO、双端队列、循环队列

FIFO：先进先出

LIFO：后进先出（相当于栈）

双端队列：LIFO和FIFO的结合，就是可从队首和队尾添加和删除元素。

循环队列：队首和队尾相连（可以解决假溢出）

2、FIFO【先进先出】、LIFO【后进先出】

Python自带的Queue模块（import queue【python3】、import Queue【Python2】）【线程不安全，需加锁】

　　有三种队列类型：FIFO（queue.queue）、LIFO（queue.LifoQueue）、优先级队列（queue.PriorityQueue）【优先级队列越低越先出来】【堆】

FIFO：import queue

创建一个队列长度为10的对象：q=queue.queue(maxsize=10)

队尾插入数据x：q.put(x)

队首删除数据：q.get()，并返回该数据

返回队列的大小：q.qsize()

判断队列是否为空：q.empty()，若为空则返回True，反之则FALSE

判断是否为满：q.full与maxsize相呼应

3、Python自带的双端队列Deque模块（from collections import deque) 【线程安全，因为GIL】

（1）新建一个deque对象：q=deque('abcdefgh')，或者创建一个大小为5的队列q=deque(5)

（1）q.appendleft(x)：在列表左侧插入【O（1）】

（2）q.popleft()：弹出列表左侧的值【O（1）】

（3）extendleft：在左侧扩展【O（k）】

（4）q.append(x)：在列表右侧插入【O（1）】

（5）q.pop()：弹出列表右侧的值【O（1）】

（6）extend：在右侧扩展【O（k）】

（7）q.rotate(-n)：将左端的n个元素移动到右端【O（k）】

　　q.rotate(n)：将右端的n个元素移动到左端

　　q=deque('abcdef')

　　q.rotate(-2)

　　print(q)//deque(['c','d','e','f','a','b'])
　　q.rotate(2)

　　print(q)//deque(['e','f','a','b','c','d'])

（8）q.remove('c')：删除一个指定元素【O（n）】

（9）q.clear()：清空链表所有元素，使其长度为0

（10）q.reverse()：将队列反转

（11）q.count(x)：返回q中x的数量

（12）len(q)：返回q的长度

4、Python实现循环队列：

队尾出来进队首，双端队列的rotate可以实现循环队列。

下面的例子是用queue中的FIFO实现一个功能，6个人传土豆，每数到7就淘汰手中有土豆的人，直到最后只剩一个人。

#循环队列，num一定要比人数多
import queue
def hotpotato(namelist,num):
    que=queue.Queue(len(namelist))
    for name in namelist:
        que.put(name)
    while que.qsize()>1:
        for item in range(num):
            que.put(que.get())
        que.get()
    return que.get()

namelist=['a','b','c','d','e','f']
print(hotpotato(namelist,7))

5、列表、queue、deque都可以用作队列，他们的比较：

list缺点：插入队尾时需要用insert(0,x),【因为队首在队尾】，别的元素要往后移，时间复杂度大】

queue的缺点：queue只能做put，put方向只能在队尾。

deque的缺点：remove（x) 和获取索引时速度慢，因为需要执行多个数据块。list相对快一点。

四、堆：【是一棵完全二叉树】

1、python自带的堆模块：import heapq【实现最小堆】

【实现最大堆：将元素取反存入堆，取出时再取反：将push(e)改为push(-e)、pop(e)改为-pop(e)。】

• heap = [] #创建了一个空堆
• heapq.heappush ( heap,item ) #往堆heap中插入一条新的值item
• heapq.heapify(listx) #以线性时间将一个列表转化成堆
• item = heapq.heappop ( heap ) # 从堆中弹出最小值
• item = heap [0] #查看堆中最小值，不弹出

item = heapq.heapreplace(heap,item) #弹出并返回最小值，然后将heapreplace方法中item的值插入到堆中，堆的整体结构不会发生改变。这里需要考虑到的情况就是如果弹出的值大于item的时候我们可能就需要添加条件来满足function的要求：

• if item > heap[0]：    item = heapreplace(heap, item)
• heapq.heappushpop() #顾名思义，将值插入到堆中同时弹出堆中的最小值。
• merge(heap1,heap2,heap3) #合并多个堆然后输出
• heapq.nlargest(n , heap, key=None) #从堆中找出做大的N个数，key的作用和sorted( )方法里面的key类似，用列表元素的某个属性和函数作为关键字。
• heapq.nsmallest(n, iterable, key=None) #找到堆中最小的N个数用法同上。