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Python算法應用實戰(zhàn)之隊列詳解

 更新時間:2017年02月04日 08:58:43   作者:安生  
隊列是一種先進先出(First-In-First-Out,F(xiàn)IFO)的數(shù)據(jù)結構。隊列被用在很多地方,比如提交操作系統(tǒng)執(zhí)行的一系列進程、打印任務池等,一些仿真系統(tǒng)用隊列來模擬銀行或雜貨店里排隊的顧客。下面就介紹了Python中隊列的應用實戰(zhàn),需要的可以參考。

隊列(queue)

隊列是先進先出(FIFO, First-In-First-Out)的線性表,在具體應用中通常用鏈表或者數(shù)組來實現(xiàn),隊列只允許在后端(稱為rear)進行插入操作,在前端(稱為front)進行刪除操作,隊列的操作方式和堆棧類似,唯一的區(qū)別在于隊列只允許新數(shù)據(jù)在后端進行添加(摘錄維基百科)。

如圖所示

隊列的接口

一個隊列至少需要如下接口:

接口 描述
add(x) 入隊
delete() 出隊
clear() 清空隊列
isEmpty() 判斷隊列是否為空
isFull() 判斷隊列是否未滿
length() 隊列的當前長度
capability() 隊列的容量

然而在Python中,可以使用collections模塊下的deque函數(shù),deque函數(shù)提供了隊列所有的接口,那么先讓我門看看隊列deque函數(shù)提供了那些API把:

collections.deque是雙端隊列,即左右兩邊都是可進可出的

方法 描述
append(x) 在隊列的右邊添加一個元素
appendleft(x) 在隊列的左邊添加一個元素
clear() 從隊列中刪除所有元素
copy() 返回一個淺拷貝的副本
count(value) 返回值在隊列中出現(xiàn)的次數(shù)
extend([x..]) 使用可迭代的元素擴展隊列的右側
extendleft([x..]) 使用可迭代的元素擴展隊列的右側
index(value, [start, [stop]]) 返回值的第一個索引,如果值不存在,則引發(fā)ValueError。
insert(index, object) 在索引之前插入對象
maxlen 獲取隊列的最大長度
pop() 刪除并返回最右側的元素
popleft() 刪除并返回最左側的元素
remove(value) 刪除查找到的第一個值
reverse() 隊列中的所有元素進行翻轉
rotate() 向右旋轉隊列n步(默認n = 1),如果n為負,向左旋轉。

現(xiàn)在我們在Python中測試下這些個API的使用吧。

入隊操作

>>> from collections import deque
# 創(chuàng)建一個隊列
>>> q = deque([1])
>>> q
deque([1])
# 往隊列中添加一個元素
>>> q.append(2)
>>> q
deque([1, 2])
# 往隊列最左邊添加一個元素
>>> q.appendleft(3)
>>> q
deque([3, 1, 2])
# 同時入隊多個元素
>>> q.extend([4,5,6])
>>> q
deque([3, 1, 2, 4, 5, 6])
# 在最左邊同時入隊多個元素
>>> q.extendleft([7,8,9])
>>> q
deque([9, 8, 7, 3, 1, 2, 4, 5, 6])

出隊操作

# 刪除隊列中最后一個
>>> q.pop()
6
>>> q
deque([9, 8, 7, 3, 1, 2, 4, 5])
# 刪除隊列中最左邊的一個元素
>>> q.popleft()
9
>>> q
deque([8, 7, 3, 1, 2, 4, 5])

其他的API

# 清空隊列
>>> q
deque([8, 7, 3, 1, 2, 4, 5])
>>> q.clear()
>>> q
deque([])
# 判斷隊列是否為空
>>> not q
True
# 獲取隊列最大長度
>>> q = deque([1,2], 10)
>>> q.maxlen
10
# 查看某個元素出現(xiàn)的次數(shù)
>>> q.extend([1,2,1,1])
>>> q.count(1)
4
# 查看當前隊列長度
>>> len(q)
6
# 判斷隊列是否滿了
>>> q.maxlen == len(q)
False
# 隊列元素反轉
>>> q = deque([1,2,3,4,5],5)
>>> q.reverse()
>>> q
deque([5, 4, 3, 2, 1], maxlen=5)
# 查看元素對應的索引
>>> q.index(1)
4
# 刪除匹配到的第一個元素
>>> q
deque([5, 4, 3, 2, 1], maxlen=5)
>>> q.remove(5)
>>> q
deque([4, 3, 2, 1], maxlen=5)
# 元素位置進行旋轉
>>> q
deque([4, 3, 2, 1], maxlen=5)
>>> q.rotate(2)
>>> q
deque([2, 1, 4, 3], maxlen=5)
>>> q.rotate(1)
>>> q
deque([3, 2, 1, 4], maxlen=5)
# 使用負數(shù)
>>> q.rotate(-1)
>>> q
deque([2, 1, 4, 3], maxlen=5)

實例

二項式系數(shù)

題目

編寫程序,求二項式系數(shù)表中(楊輝三角)第K層系列數(shù)

 1
 1 1
 1 2 1
1 3 3 1
......

思路

  1. 把第K行的系數(shù)存儲在隊列中
  2. 依次出隊K層的系數(shù)(每行最后一個1不出隊),并推算K+1層系數(shù),添加到隊尾,最后在隊尾添加一個1,便變成了k+1行。

解決代碼

#!/use/bin/env python
# _*_ coding:utf-8 _*_
from collections import deque
def yanghui(k):
 """
 :param k: 楊輝三角中第幾層
 :return: 第K層的系數(shù)
 """
 q = deque([1]) # 創(chuàng)建一個隊列,默認從1開始
 for i in range(k): # 迭代要查找的層數(shù)
 for _ in range(i): # 循環(huán)需要出隊多少次
  q.append(q.popleft() + q[0]) # 第一個數(shù)加上隊列中第二個數(shù)并賦值到隊列末尾
 q.append(1) # 每次查找結束后都需要在隊列最右邊添加個1
 return list(q)
result = yanghui(3)
print(result)

劃分無沖突子集

題目

某動物園搬家,要運走N種動物,老虎與獅子放在一起會大家,大象與犀牛放在一個籠子會打架,野豬和野狗放在一個籠子里會打架,現(xiàn)在需要我們設計一個算法,使得裝進同一個籠子的動物互相不打架。

思路

  1. 把所有動物按次序入隊
  2. 創(chuàng)建一個籠子(集合),出隊一個動物,如果和籠子內(nèi)動物無沖沖突則添加到該籠子,有沖突則添加到隊尾,等待進入新籠子
  3. 由于隊列先進先出的特性,如果當前出隊動物的index不大于前一個出隊動物的index,說明當前隊列中所有動物已經(jīng)嘗試過進入且進入不了當前籠子,此時創(chuàng)建信的籠子(集合)

解決代碼

#!/use/bin/env python
# _*_ coding:utf-8 _*_
from collections import deque
def division(m, n):
 """
 :param m: 沖突關系矩陣
 :param n: 幾種動物
 :return: 返回一個棧,棧內(nèi)包含了所有的籠子
 """
 res = [] # 創(chuàng)建一個棧
 q = deque(range(n)) # 初始化隊列,里面放著動物的序號
 pre = n # 前一個動物的下標
 while q:
 cur = q.popleft() # 從隊頭出隊一個動物
 if pre >= cur: # 是否需要創(chuàng)建籠子
  res.append([]) # 創(chuàng)建一個籠子
 # 當前的動物是否與籠子內(nèi)的動物有沖突
 for a in res[-1]: # 迭代棧中最頂層的籠子
  if m[cur][a]: # 有沖突
  q.append(cur) # 重新放入隊列的尾部
  break
 else: # 當前動物和當前籠子中的所有動物沒沖突
  res[-1].append(cur) # 當前動物放入最上面的籠子中
 pre = cur # 當前變成之前的
 return res
N = 9
R = { # 沖突對應關系表
 (1, 4), (4, 8), (1, 8), (1, 7),
 (8, 3), (1, 0), (0, 5), (1, 5),
 (3, 4), (5, 6), (5, 2), (6, 2), (6, 4),
}
M = [[0] * N for _ in range(N)] # 沖洗關系矩陣M,0代表不沖突
for i, j in R:
 M[i][j] = M[j][i] = 1 # 1代表沖突
result = division(M, N)
print(result)

數(shù)字變換

題目

對于一對正整數(shù)a,b,對a只能進行加1,減1,乘2操作,問最少對a進行幾次操作能得到b?

例如:

  1. a=3,b=11: 可以通過322-1,3次操作得到11;
  2. a=5,b=8:可以通過(5-1)*2,2次操作得到8;

思路

本題用廣度優(yōu)先搜索,尋找a到b狀態(tài)遷移最短路徑,對于每個狀態(tài)s,可以轉換到撞到s+1,s-1,s*2:

  1. 把初始化狀態(tài)a入隊;
  2. 出隊一個狀態(tài)s,然后s+1,s-1,s*2入隊;
  3. 反復循環(huán)第二步驟,直到狀態(tài)s為b;

解決代碼

#!/use/bin/env python
# _*_ coding:utf-8 _*_
from collections import deque
def atob(a, b):
 """
 :param a: 開始的數(shù)字
 :param b: 最終轉換之后的數(shù)字
 :return: 最小匹配的次數(shù)
 """
 q = deque([(a, 0)]) # a=當前數(shù)字,0=操作的次數(shù)
 checked = {a} # 已經(jīng)檢查過的數(shù)據(jù)
 while True:
 s, c = q.popleft()
 if s == b:
  break
 if s < b: # 要計算的數(shù)小于計算之后的數(shù)字
  if s + 1 not in checked: # 如果要計算的數(shù)字+1不在已檢查過的數(shù)據(jù)集合中
  q.append((s + 1, c + 1)) # 要計算的數(shù)+1,轉換次數(shù)+1
  checked.add(s + 1) # 把計算過的數(shù)添加到checked集合中
  if s * 2 not in checked:
  q.append((s * 2, c + 1))
  checked.add(s * 2)
 if s > 0: # 要計算的數(shù)大于0
  if s - 1 not in checked:
  q.append((s - 1, c + 1))
  checked.add(s - 1)
 return q.popleft()[-1]
result = atob(3, 11)
print(result)

總結

以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了,希望本文的內(nèi)容對大家的學習或者工作能帶來一定的幫助,如果有疑問大家可以留言交流。

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