Python3 数据结构

本章节我们主要结合前面所学的知识点来介绍Python数据结构。

列表

Python中列表是可变的，这是它区别于字符串和元组的最重要的特点，一句话概括即：列表可以修改，而字符串和元组不能。

以下是 Python 中列表的方法：

下面示例演示了列表的大部分方法：

实例

>>> a = [66.25, 333, 333, 1, 1234.5]
>>> print(a.count(333), a.count(66.25), a.count('x'))
2 1 0
>>> a.insert(2, -1)
>>> a.append(333)
>>> a
[66.25, 333, -1, 333, 1, 1234.5, 333]
>>> a.index(333)
1
>>> a.remove(333)
>>> a
[66.25, -1, 333, 1, 1234.5, 333]
>>> a.reverse()
>>> a
[333, 1234.5, 1, 333, -1, 66.25]
>>> a.sort()
>>> a
[-1, 1, 66.25, 333, 333, 1234.5]

注意：类似 insert, remove 或 sort 等修改列表的方法没有返回值。

将列表当做栈使用

在 Python 中，可以使用列表（list）来实现栈的功能。栈是一种后进先出（LIFO, Last-In-First-Out）数据结构，意味着最后添加的元素最先被移除。列表提供了一些方法，使其非常适合用于栈操作，特别是 append() 和 pop() 方法。
用 append() 方法可以把一个元素添加到栈顶，用不指定索引的 pop() 方法可以把一个元素从栈顶释放出来。

栈操作

• 压入（Push）: 将一个元素添加到栈的顶端。
• 弹出（Pop）: 移除并返回栈顶元素。
• 查看栈顶元素（Peek/Top）: 返回栈顶元素而不移除它。
• 检查是否为空（IsEmpty）: 检查栈是否为空。
• 获取栈的大小（Size）: 获取栈中元素的数量。

以下是如何在 Python 中使用列表实现这些操作的详细说明：

1、创建一个空栈
实例

stack = []

2、压入（Push）操作
使用 append() 方法将元素添加到栈的顶端：

实例

stack.append(1)
stack.append(2)
stack.append(3)
print(stack)  # 输出: [1, 2, 3]

3、弹出（Pop）操作
使用 pop() 方法移除并返回栈顶元素：

实例

top_element = stack.pop()
print(top_element)  # 输出: 3
print(stack)        # 输出: [1, 2]

4、查看栈顶元素（Peek/Top）
直接访问列表的最后一个元素（不移除）：

实例

top_element = stack[-1]
print(top_element)  # 输出: 2

5、检查是否为空（IsEmpty）
检查列表是否为空：

实例

is_empty = len(stack) == 0
print(is_empty)  # 输出: False

6、获取栈的大小（Size）
使用 len() 函数获取栈中元素的数量：

实例

size = len(stack)
print(size)  # 输出: 2

实例
以下是一个完整的实例，展示了如何使用上述操作来实现一个简单的栈：

实例

class Stack:
    def __init__(self):
        self.stack = []

    def push(self, item):
        self.stack.append(item)

    def pop(self):
        if not self.is_empty():
            return self.stack.pop()
        else:
            raise IndexError("pop from empty stack")

    def peek(self):
        if not self.is_empty():
            return self.stack[-1]
        else:
            raise IndexError("peek from empty stack")

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

    def size(self):
        return len(self.stack)

# 使用示例
stack = Stack()
stack.push(1)
stack.push(2)
stack.push(3)

print("栈顶元素:", stack.peek())  # 输出: 栈顶元素: 3
print("栈大小:", stack.size())    # 输出: 栈大小: 3

print("弹出元素:", stack.pop())  # 输出: 弹出元素: 3
print("栈是否为空:", stack.is_empty())  # 输出: 栈是否为空: False
print("栈大小:", stack.size())    # 输出: 栈大小: 2

以上代码中，我们定义了一个 Stack 类，封装了列表作为底层数据结构，并实现了栈的基本操作。

输出结果如下：

栈顶元素: 3
栈大小: 3
弹出元素: 3
栈是否为空: False
栈大小: 2

将列表当作队列使用

在 Python 中，列表（list）可以用作队列（queue），但由于列表的特点，直接使用列表来实现队列并不是最优的选择。

队列是一种先进先出（FIFO, First-In-First-Out）的数据结构，意味着最早添加的元素最先被移除。

使用列表时，如果频繁地在列表的开头插入或删除元素，性能会受到影响，因为这些操作的时间复杂度是 O(n)。为了解决这个问题，Python 提供了 collections.deque，它是双端队列，可以在两端高效地添加和删除元素。

使用 collections.deque 实现队列
collections.deque 是 Python 标准库的一部分，非常适合用于实现队列。

以下是使用 deque 实现队列的示例：

实例

from collections import deque

# 创建一个空队列
queue = deque()

# 向队尾添加元素
queue.append('a')
queue.append('b')
queue.append('c')

print("队列状态:", queue)  # 输出: 队列状态: deque(['a', 'b', 'c'])

# 从队首移除元素
first_element = queue.popleft()
print("移除的元素:", first_element)  # 输出: 移除的元素: a
print("队列状态:", queue)            # 输出: 队列状态: deque(['b', 'c'])

# 查看队首元素（不移除）
front_element = queue[0]
print("队首元素:", front_element)    # 输出: 队首元素: b

# 检查队列是否为空
is_empty = len(queue) == 0
print("队列是否为空:", is_empty)     # 输出: 队列是否为空: False

# 获取队列大小
size = len(queue)
print("队列大小:", size)            # 输出: 队列大小: 2

使用列表实现队列

虽然 deque更高效，但如果坚持使用列表来实现队列，也可以这么做。以下是如何使用列表实现队列的示例：

1. 创建队列

实例

queue = []

2. 向队尾添加元素

使用 append() 方法将元素添加到队尾：

实例

queue.append('a')
queue.append('b')
queue.append('c')
print("队列状态:", queue)  # 输出: 队列状态: ['a', 'b', 'c']

3. 从队首移除元素

使用 pop(0) 方法从队首移除元素：

实例

first_element = queue.pop(0)
print("移除的元素:", first_element)  # 输出: 移除的元素: a
print("队列状态:", queue)            # 输出: 队列状态: ['b', 'c']

4. 查看队首元素（不移除）

直接访问列表的第一个元素：

实例

front_element = queue[0]
print("队首元素:", front_element)    # 输出: 队首元素: b

5. 检查队列是否为空

检查列表是否为空：

实例

is_empty = len(queue) == 0
print("队列是否为空:", is_empty)     # 输出: 队列是否为空: False

6. 获取队列大小

使用 len() 函数获取队列的大小：

实例

size = len(queue)
print("队列大小:", size)            # 输出: 队列大小: 2

实例（使用列表实现队列）
实例

class Queue:
    def __init__(self):
        self.queue = []

    def enqueue(self, item):
        self.queue.append(item)

    def dequeue(self):
        if not self.is_empty():
            return self.queue.pop(0)
        else:
            raise IndexError("dequeue from empty queue")

    def peek(self):
        if not self.is_empty():
            return self.queue[0]
        else:
            raise IndexError("peek from empty queue")

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

    def size(self):
        return len(self.queue)

# 使用示例
queue = Queue()
queue.enqueue('a')
queue.enqueue('b')
queue.enqueue('c')

print("队首元素:", queue.peek())    # 输出: 队首元素: a
print("队列大小:", queue.size())    # 输出: 队列大小: 3

print("移除的元素:", queue.dequeue())  # 输出: 移除的元素: a
print("队列是否为空:", queue.is_empty())  # 输出: 队列是否为空: False
print("队列大小:", queue.size())    # 输出: 队列大小: 2

虽然可以使用列表来实现队列，但使用 collections.deque 会更高效和简洁。它提供了 O(1) 时间复杂度的添加和删除操作，非常适合队列这种数据结构。

列表推导式

列表推导式提供了从序列创建列表的简单途径。通常应用程序将一些操作应用于某个序列的每个元素，用其获得的结果作为生成新列表的元素，或者根据确定的判定条件创建子序列。

每个列表推导式都在 for 之后跟一个表达式，然后有零到多个 for 或 if 子句。返回结果是一个根据表达从其后的 for 和 if 上下文环境中生成出来的列表。如果希望表达式推导出一个元组，就必须使用括号。

这里我们将列表中每个数值乘三，获得一个新的列表：

>>> vec = [2, 4, 6]
>>> [3*x for x in vec]
[6, 12, 18]
现在我们玩一点小花样：

>>> [[x, x**2] for x in vec]
[[2, 4], [4, 16], [6, 36]]

这里我们对序列里每一个元素逐个调用某方法：

实例

>>> freshfruit = ['  banana', '  loganberry ', 'passion fruit  ']
>>> [weapon.strip() for weapon in freshfruit]
['banana', 'loganberry', 'passion fruit']

我们可以用 if 子句作为过滤器：

>>> [3*x for x in vec if x > 3]
[12, 18]
>>> [3*x for x in vec if x < 2]
[]

以下是一些关于循环和其它技巧的演示：

>>> vec1 = [2, 4, 6]
>>> vec2 = [4, 3, -9]
>>> [x*y for x in vec1 for y in vec2]
[8, 6, -18, 16, 12, -36, 24, 18, -54]
>>> [x+y for x in vec1 for y in vec2]
[6, 5, -7, 8, 7, -5, 10, 9, -3]
>>> [vec1[i]*vec2[i] for i in range(len(vec1))]
[8, 12, -54]

列表推导式可以使用复杂表达式或嵌套函数：

>>> [str(round(355/113, i)) for i in range(1, 6)]
['3.1', '3.14', '3.142', '3.1416', '3.14159']

嵌套列表解析

Python的列表还可以嵌套。

以下实例展示了3X4的矩阵列表：

>>> matrix = [
...     [1, 2, 3, 4],
...     [5, 6, 7, 8],
...     [9, 10, 11, 12],
... ]

以下实例将3X4的矩阵列表转换为4X3列表：

>>> [[row[i] for row in matrix] for i in range(4)]
[[1, 5, 9], [2, 6, 10], [3, 7, 11], [4, 8, 12]]

以上实例也可以使用以下方法来实现：

>>> transposed = []
>>> for i in range(4):
...     transposed.append([row[i] for row in matrix])
...
>>> transposed
[[1, 5, 9], [2, 6, 10], [3, 7, 11], [4, 8, 12]]

另外一种实现方法：

>>> transposed = []
>>> for i in range(4):
...     # the following 3 lines implement the nested listcomp
...     transposed_row = []
...     for row in matrix:
...         transposed_row.append(row[i])
...     transposed.append(transposed_row)
...
>>> transposed
[[1, 5, 9], [2, 6, 10], [3, 7, 11], [4, 8, 12]]

del 语句

使用 del 语句可以从一个列表中根据索引来删除一个元素，而不是值来删除元素。这与使用 pop() 返回一个值不同。可以用 del 语句从列表中删除一个切割，或清空整个列表（我们以前介绍的方法是给该切割赋一个空列表）。例如：

>>> a = [-1, 1, 66.25, 333, 333, 1234.5]
>>> del a[0]
>>> a
[1, 66.25, 333, 333, 1234.5]
>>> del a[2:4]
>>> a
[1, 66.25, 1234.5]
>>> del a[:]
>>> a
[]

也可以用 del 删除实体变量：

>>> del a

元组和序列

元组由若干逗号分隔的值组成，例如：

>>> t = 12345, 54321, 'hello!'
>>> t[0]
12345
>>> t
(12345, 54321, 'hello!')
>>> # Tuples may be nested:
... u = t, (1, 2, 3, 4, 5)
>>> u
((12345, 54321, 'hello!'), (1, 2, 3, 4, 5))

如你所见，元组在输出时总是有括号的，以便于正确表达嵌套结构。在输入时可能有或没有括号， 不过括号通常是必须的（如果元组是更大的表达式的一部分）。

集合

集合是一个无序不重复元素的集。基本功能包括关系测试和消除重复元素。

可以用大括号({})创建集合。注意：如果要创建一个空集合，你必须用 set() 而不是 {} ；后者创建一个空的字典，下一节我们会介绍这个数据结构。

以下是一个简单的演示：

>>> basket = {'apple', 'orange', 'apple', 'pear', 'orange', 'banana'}
>>> print(basket)                      # 删除重复的
{'orange', 'banana', 'pear', 'apple'}
>>> 'orange' in basket                 # 检测成员
True
>>> 'crabgrass' in basket
False

>>> # 以下演示了两个集合的操作
...
>>> a = set('abracadabra')
>>> b = set('alacazam')
>>> a                                  # a 中唯一的字母
{'a', 'r', 'b', 'c', 'd'}
>>> a - b                              # 在 a 中的字母，但不在 b 中
{'r', 'd', 'b'}
>>> a | b                              # 在 a 或 b 中的字母
{'a', 'c', 'r', 'd', 'b', 'm', 'z', 'l'}
>>> a & b                              # 在 a 和 b 中都有的字母
{'a', 'c'}
>>> a ^ b                              # 在 a 或 b 中的字母，但不同时在 a 和 b 中
{'r', 'd', 'b', 'm', 'z', 'l'}

集合也支持推导式：

>>> a = {x for x in 'abracadabra' if x not in 'abc'}
>>> a
{'r', 'd'}

字典

另一个非常有用的 Python 内建数据类型是字典。
序列是以连续的整数为索引，与此不同的是，字典以关键字为索引，关键字可以是任意不可变类型，通常用字符串或数值。

理解字典的最佳方式是把它看做无序的键=>值对集合。在同一个字典之内，关键字必须是互不相同。
一对大括号创建一个空的字典：{}。
这是一个字典运用的简单例子：

>>> tel = {'jack': 4098, 'sape': 4139}
>>> tel['guido'] = 4127
>>> tel
{'sape': 4139, 'guido': 4127, 'jack': 4098}
>>> tel['jack']
4098
>>> del tel['sape']
>>> tel['irv'] = 4127
>>> tel
{'guido': 4127, 'irv': 4127, 'jack': 4098}
>>> list(tel.keys())
['irv', 'guido', 'jack']
>>> sorted(tel.keys())
['guido', 'irv', 'jack']
>>> 'guido' in tel
True
>>> 'jack' not in tel
False

构造函数 dict() 直接从键值对元组列表中构建字典。如果有固定的模式，列表推导式指定特定的键值对：

>>> dict([('sape', 4139), ('guido', 4127), ('jack', 4098)])
{'sape': 4139, 'jack': 4098, 'guido': 4127}

此外，字典推导可以用来创建任意键和值的表达式词典：

>>> {x: x**2 for x in (2, 4, 6)}
{2: 4, 4: 16, 6: 36}

如果关键字只是简单的字符串，使用关键字参数指定键值对有时候更方便：

>>> dict(sape=4139, guido=4127, jack=4098)
{'sape': 4139, 'jack': 4098, 'guido': 4127}

遍历技巧

在字典中遍历时，关键字和对应的值可以使用 items() 方法同时解读出来：

>>> knights = {'gallahad': 'the pure', 'robin': 'the brave'}
>>> for k, v in knights.items():
...     print(k, v)
gallahad the pure
robin the brave

在序列中遍历时，索引位置和对应值可以使用 enumerate() 函数同时得到：

>>> for i, v in enumerate(['tic', 'tac', 'toe']):
...     print(i, v)
...
0 tic
1 tac
2 toe

同时遍历两个或更多的序列，可以使用 zip() 组合：

>>> questions = ['name', 'quest', 'favorite color']
>>> answers = ['lancelot', 'the holy grail', 'blue']
>>> for q, a in zip(questions, answers):
...     print('What is your {0}?  It is {1}.'.format(q, a))
...
What is your name?  It is lancelot.
What is your quest?  It is the holy grail.
What is your favorite color?  It is blue.

要反向遍历一个序列，首先指定这个序列，然后调用 reversed() 函数：

>>> for i in reversed(range(1, 10, 2)):
...     print(i)
...
9
7
5
3
1

要按顺序遍历一个序列，使用 sorted() 函数返回一个已排序的序列，并不修改原值：

>>> basket = ['apple', 'orange', 'apple', 'pear', 'orange', 'banana']
>>> for f in sorted(set(basket)):
...     print(f)
...
apple
banana
orange
pear