Python实现双端队列数据结构及其基本方法

简介: 队列是一种特殊的线性表,是一种先进先出(FIFO)的数据结构。它只允许在表的前端(front)进行删除操作,而在表的后端(rear)进行插入操作。进行插入操作的端称为队尾,进行删除操作的端称为队头,队列中没有元素时,称为空队列。

队列是一种特殊的线性表,是一种先进先出(FIFO)的数据结构。它只允许在表的前端(front)进行删除操作,而在表的后端(rear)进行插入操作。进行插入操作的端称为队尾,进行删除操作的端称为队头,队列中没有元素时,称为空队列。


队列可由线性表来实现,包括列表和链表都可实现队列,不过在安全性上来说链表比较安全,但是增加额外的内存开销,一般考虑列表来实现队列。

查看Python队列库queue提供的队列源码如下:

class Queue:
    '''Create a queue object with a given maximum size.

    If maxsize is <= 0, the queue size is infinite.
    '''

    def __init__(self, maxsize=0):
        self.maxsize = maxsize
        self._init(maxsize)

        # mutex must be held whenever the queue is mutating.  All methods
        # that acquire mutex must release it before returning.  mutex
        # is shared between the three conditions, so acquiring and
        # releasing the conditions also acquires and releases mutex.
        self.mutex = threading.Lock()

        # Notify not_empty whenever an item is added to the queue; a
        # thread waiting to get is notified then.
        self.not_empty = threading.Condition(self.mutex)

        # Notify not_full whenever an item is removed from the queue;
        # a thread waiting to put is notified then.
        self.not_full = threading.Condition(self.mutex)

        # Notify all_tasks_done whenever the number of unfinished tasks
        # drops to zero; thread waiting to join() is notified to resume
        self.all_tasks_done = threading.Condition(self.mutex)
        self.unfinished_tasks = 0

    def task_done(self):
        '''
Indicate that a formerly enqueued task is complete.

        Used by Queue consumer threads.  For each get() used to fetch a task,
        a subsequent call to task_done() tells the queue that the processing
        on the task is complete.

        If a join() is currently blocking, it will resume when all items
        have been processed (meaning that a task_done() call was received
        for every item that had been put() into the queue).

        Raises a ValueError if called more times than there were items
        placed in the queue.
        '''
        with self.all_tasks_done:
            unfinished = self.unfinished_tasks - 1
            if unfinished <= 0:
                if unfinished < 0:
                    raise ValueError('
task_done() called too many times')
                self.all_tasks_done.notify_all()
            self.unfinished_tasks = unfinished

    def join(self):
        '''
Blocks until all items in the Queue have been gotten and processed.

        The count of unfinished tasks goes up whenever an item is added to the
        queue. The count goes down whenever a consumer thread calls task_done()
        to indicate the item was retrieved and all work on it is complete.

        When the count of unfinished tasks drops to zero, join() unblocks.
        '''
        with self.all_tasks_done:
            while self.unfinished_tasks:
                self.all_tasks_done.wait()

    def qsize(self):
        '''
Return the approximate size of the queue (not reliable!).'''
        with self.mutex:
            return self._qsize()

    def empty(self):
        '''
Return True if the queue is emptyFalse otherwise (not reliable!).

        This method is likely to be removed at some point.  Use qsize() == 0
        as a direct substitute, but be aware that either approach risks a race
        condition where a queue can grow before the result of empty() or
        qsize() can be used.

        To create code that needs to wait for all queued tasks to be
        completed, the preferred technique is to use the join() method.
        '''
        with self.mutex:
            return not self._qsize()

    def full(self):
        '''
Return True if the queue is fullFalse otherwise (not reliable!).

        This method is likely to be removed at some point.  Use qsize() >= n
        as a direct substitute, but be aware that either approach risks a race
        condition where a queue can shrink before the result of full() or
        qsize() can be used.
        '''
        with self.mutex:
            return 0 < self.maxsize <= self._qsize()

    def put(self, item, block=True, timeout=None):
        '''
Put an item into the queue.

        If optional args 'block' is true and 'timeout' is None (the default),
        block if necessary until a free slot is available. If 'timeout' is
        a non-negative number, it blocks at most 'timeout' seconds and raises
        the Full exception if no free slot was available within that time.
        Otherwise ('block' is false), put an item on the queue if a free slot
        is immediately available, else raise the Full exception ('timeout'
        is ignored in that case).
        '''
        with self.not_full:
            if self.maxsize > 0:
                if not block:
                    if self._qsize() >= self.maxsize:
                        raise Full
                elif timeout is None:
                    while self._qsize() >= self.maxsize:
                        self.not_full.wait()
                elif timeout < 0:
                    raise ValueError("'
timeout' must be a non-negative number")
                else:
                    endtime = time() + timeout
                    while self._qsize() >= self.maxsize:
                        remaining = endtime - time()
                        if remaining <= 0.0:
                            raise Full
                        self.not_full.wait(remaining)
            self._put(item)
            self.unfinished_tasks += 1
            self.not_empty.notify()

    def get(self, block=True, timeout=None):
        '''
Remove and return an item from the queue.

        If optional args 'block' is true and 'timeout' is None (the default),
        block if necessary until an item is available. If 'timeout' is
        a non-negative number, it blocks at most 'timeout' seconds and raises
        the Empty exception if no item was available within that time.
        Otherwise ('block' is false), return an item if one is immediately
        available, else raise the Empty exception ('timeout' is ignored
        in that case).
        '''
        with self.not_empty:
            if not block:
                if not self._qsize():
                    raise Empty
            elif timeout is None:
                while not self._qsize():
                    self.not_empty.wait()
            elif timeout < 0:
                raise ValueError("'
timeout' must be a non-negative number")
            else:
                endtime = time() + timeout
                while not self._qsize():
                    remaining = endtime - time()
                    if remaining <= 0.0:
                        raise Empty
                    self.not_empty.wait(remaining)
            item = self._get()
            self.not_full.notify()
            return item

    def put_nowait(self, item):
        '''
Put an item into the queue without blocking.

        Only enqueue the item if a free slot is immediately available.
        Otherwise raise the Full exception.
        '''
        return self.put(item, block=False)

    def get_nowait(self):
        '''
Remove and return an item from the queue without blocking.

        Only get an item if one is immediately available. Otherwise
        raise the Empty exception.
        '''
        return self.get(block=False)

    # Override these methods to implement other queue organizations
    # (e.g. stack or priority queue).
    # These will only be called with appropriate locks held

    # Initialize the queue representation
    def _init(self, maxsize):
        self.queue = deque()

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

    # Put a new item in the queue
    def _put(self, item):
        self.queue.append(item)

    # Get an item from the queue
    def _get(self):
        return self.queue.popleft()


Queue提供了一些基本方法:task_done、join、qsize、empty、full、put、get、put_nowait、get_nowait,但是他的实现依旧是通过操作内部的私有方法,而这些私有方法是队列的本质。

包括最后的初始化创建一个列表、获取列表长度返回队列大小、以及对列表进行元素操作等,这一切本质上都是对liest操作。

什么是双端队列?双端队列是在普通队列的基础上,既可以在前端弹出元素也可以在前端插入元素,既可以在后端插入元素也可以在后端弹出元素,下面来实现这一基本模型。

class Deque(object):
    """双端队列"""
    def __init__(self):
        self._items = []

    @property
    def is_empty(self):
        """
        判断队列是否为空
        :return:
        """

        return self._items == []

    @property
    def size(self):
        """
        返回队列大小
        :return:
        """

        return len(self._items)

    def add_front(self, item):
        """
        在队头添加元素
        :param item:
        :return:
        """

        self._items.insert(0, item)

    def add_rear(self, item):
        """
        在队尾添加元素
        :param item:
        :return:
        """

        self._items.append(item)

    def remove_front(self):
        """
        从队头删除元素
        :return:
        """

        return self._items.pop(0)

    def remove_rear(self):
        """
        从队尾删除元素
        :return:
        """

        return self._items.pop()


双端队列分类:

输出受限的双端队列:允许在一端进行插入和删除,但在另一端只允许插入的双端队列称为输出受限的双端队列。


输入受限的双端队列:允许在一端进行插入和删除,但在另一端只允许删除的双端队列称为输入受限的双端队列,而如果限定双端队列从某个端点插入的元素只能从该端点删除,则该双端队列就蜕变为两个栈底相邻接的栈了。

相关文章
|
28天前
|
机器学习/深度学习 算法 数据挖掘
K-means聚类算法是机器学习中常用的一种聚类方法,通过将数据集划分为K个簇来简化数据结构
K-means聚类算法是机器学习中常用的一种聚类方法,通过将数据集划分为K个簇来简化数据结构。本文介绍了K-means算法的基本原理,包括初始化、数据点分配与簇中心更新等步骤,以及如何在Python中实现该算法,最后讨论了其优缺点及应用场景。
95 4
|
28天前
|
机器学习/深度学习 Python
堆叠集成策略的原理、实现方法及Python应用。堆叠通过多层模型组合,先用不同基础模型生成预测,再用元学习器整合这些预测,提升模型性能
本文深入探讨了堆叠集成策略的原理、实现方法及Python应用。堆叠通过多层模型组合,先用不同基础模型生成预测,再用元学习器整合这些预测,提升模型性能。文章详细介绍了堆叠的实现步骤,包括数据准备、基础模型训练、新训练集构建及元学习器训练,并讨论了其优缺点。
47 3
|
26天前
|
存储 索引 Python
Python编程数据结构的深入理解
深入理解 Python 中的数据结构是提高编程能力的重要途径。通过合理选择和使用数据结构,可以提高程序的效率和质量
134 59
|
26天前
|
存储 开发者 Python
Python 中的数据结构与其他编程语言数据结构的区别
不同编程语言都有其设计理念和应用场景,开发者需要根据具体需求和语言特点来选择合适的数据结构
|
2天前
|
存储 运维 监控
探索局域网电脑监控软件:Python算法与数据结构的巧妙结合
在数字化时代,局域网电脑监控软件成为企业管理和IT运维的重要工具,确保数据安全和网络稳定。本文探讨其背后的关键技术——Python中的算法与数据结构,如字典用于高效存储设备信息,以及数据收集、异常检测和聚合算法提升监控效率。通过Python代码示例,展示了如何实现基本监控功能,帮助读者理解其工作原理并激发技术兴趣。
41 20
|
26天前
|
存储 开发者 索引
Python 中常见的数据结构
这些数据结构各有特点和适用场景,在不同的编程任务中发挥着重要作用。开发者需要根据具体需求选择合适的数据结构,以提高程序的效率和性能
|
16天前
|
安全
Python-打印99乘法表的两种方法
本文详细介绍了两种实现99乘法表的方法:使用`while`循环和`for`循环。每种方法都包括了步骤解析、代码演示及优缺点分析。文章旨在帮助编程初学者理解和掌握循环结构的应用,内容通俗易懂,适合编程新手阅读。博主表示欢迎读者反馈,共同进步。
|
26天前
|
存储 算法 搜索推荐
Python 中数据结构和算法的关系
数据结构是算法的载体,算法是对数据结构的操作和运用。它们共同构成了计算机程序的核心,对于提高程序的质量和性能具有至关重要的作用
|
26天前
|
数据采集 存储 算法
Python 中的数据结构和算法优化策略
Python中的数据结构和算法如何进行优化?
|
23天前
|
JSON 安全 API
Python调用API接口的方法
Python调用API接口的方法
106 5