基本线性数据结构的Python实现

算法 4 分钟

本篇主要实现四种数据结构,分别是数组、堆栈、队列、链表。我不知道我为什么要用Python来干C干的事情,总之Python就是可以干。

所有概念性内容可以在参考资料中找到出处

数组

数组的设计

数组设计之初是在形式上依赖内存分配而成的,所以必须在使用前预先请求空间。这使得数组有以下特性:

  1. 请求空间以后大小固定,不能再改变(数据溢出问题);
  2. 在内存中有空间连续性的表现,中间不会存在其他程序需要调用的数据,为此数组的专用内存空间;
  3. 在旧式编程语言中(如有中阶语言之称的C),程序不会对数组的操作做下界判断,也就有潜在的越界操作的风险(比如会把数据写在运行中程序需要调用的核心部分的内存上)。

因为简单数组强烈倚赖电脑硬件之内存,所以不适用于现代的程序设计。欲使用可变大小、硬件无关性的数据类型,Java等程序设计语言均提供了更高级的数据结构:ArrayList、Vector等动态数组。

Python的数组

从严格意义上来说:Python里没有严格意义上的数组。 List可以说是Python里的数组,下面这段代码是CPython的实现List的结构体:

typedef struct {
    PyObject_VAR_HEAD
    /* Vector of pointers to list elements.  list[0] is ob_item[0], etc. */
    PyObject **ob_item;

    /* ob_item contains space for 'allocated' elements.  The number
     * currently in use is ob_size.
     * Invariants:
     *     0 <= ob_size <= allocated
     *     len(list) == ob_size
     *     ob_item == NULL implies ob_size == allocated == 0
     * list.sort() temporarily sets allocated to -1 to detect mutations.
     *
     * Items must normally not be NULL, except during construction when
     * the list is not yet visible outside the function that builds it.
     */
    Py_ssize_t allocated;
} PyListObject;

取自CPython-Github

还有一篇文章讲List实现,感兴趣的朋友可以去看看。中文版

当然,在Python里它就是数组。 后面的一些结构也将用List来实现。

堆栈

什么是堆栈

堆栈(英语:stack),也可直接称栈,在计算机科学中,是一种特殊的串列形式的数据结构,它的特殊之处在于只能允许在链接串列或阵列的一端(称为堆叠顶端指标,英语:top)进行加入资料(英语:push)和输出资料(英语:pop)的运算。另外堆叠也可以用一维阵列或连结串列的形式来完成。堆叠的另外一个相对的操作方式称为伫列。

由于堆叠数据结构只允许在一端进行操作,因而按照后进先出(LIFO, Last In First Out)的原理运作。

特点

  • 先入后出,后入先出。
  • 除头尾节点之外,每个元素有一个前驱,一个后继。

操作

从原理可知,对堆栈(栈)可以进行的操作有:

  • top():获取堆栈顶端对象
  • push():向栈里添加一个对象
  • pop():从栈里推出一个对象

实现

class my_stack(object):
    def __init__(self, value):
        self.value = value
        # 前驱
        self.before = None
        # 后继
        self.behind = None

    def __str__(self):
        return str(self.value)


def top(stack):
    if isinstance(stack, my_stack):
        if stack.behind is not None:
            return top(stack.behind)
        else:
            return stack


def push(stack, ele):
    push_ele = my_stack(ele)
    if isinstance(stack, my_stack):
      stack_top = top(stack)
      push_ele.before = stack_top
      push_ele.before.behind = push_ele
    else: