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python 堆和優(yōu)先隊(duì)列的使用詳解

 更新時(shí)間:2019年03月05日 11:02:41   作者:LIUHUANUCAS  
這篇文章主要介紹了python 堆和優(yōu)先隊(duì)列的使用詳解,小編覺(jué)得挺不錯(cuò)的,現(xiàn)在分享給大家,也給大家做個(gè)參考。一起跟隨小編過(guò)來(lái)看看吧

1.heapq

python里面的堆是通過(guò)在列表中維護(hù)堆的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)的。這一點(diǎn)與C++中heap一系列的算法類(lèi)似,底層是通過(guò)堆vector的維護(hù)獲取堆的性質(zhì)。

關(guān)于二叉樹(shù)

二叉樹(shù)的特點(diǎn):

二叉樹(shù)是一種存儲(chǔ)數(shù)據(jù)元素的匯集數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

二叉樹(shù)最重要的性質(zhì)就是樹(shù)的高度和樹(shù)中可以容納的最大結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)之間的關(guān)系。樹(shù)的高度類(lèi)似于表長(zhǎng),是從根結(jié)點(diǎn)到其他結(jié)點(diǎn)的最大距離。在長(zhǎng)為n的表里只能容納n個(gè)結(jié)點(diǎn),而在高為h的二叉樹(shù)中則可以容納大約2^h個(gè)結(jié)點(diǎn),這是表和樹(shù)的最大不同點(diǎn)。

一般的元素插入,如果是按線性順序排列的,那么操作必然需要O(n)的時(shí)間(需要對(duì)n個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行移位處理),要突破這個(gè)限制,必須考慮其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織方式。二叉樹(shù)就是一種高效插入的存儲(chǔ)方式。

堆排序利用的是完全二叉樹(shù)。

python堆的部分API,其他API查閱文檔python_heap_API和  heapq的源代碼

import heapq
#向堆中插入元素,heapq會(huì)維護(hù)列表heap中的元素保持堆的性質(zhì)
heapq.heappush(heap, item)
#heapq把列表x轉(zhuǎn)換成堆
heapq.heapify(x)
#從可迭代的迭代器中返回最大的n個(gè)數(shù),可以指定比較的key
heapq.nlargest(n, iterable[, key])
#從可迭代的迭代器中返回最小的n個(gè)數(shù),可以指定比較的key
heapq.nsmallest(n, iterable[, key])
#從堆中刪除元素,返回值是堆中最小或者最大的元素
heapq.heappop(heap)

1.1.內(nèi)置類(lèi)型

從上述源代碼可以看出來(lái),heapq使用的內(nèi)置的小于號(hào),或者類(lèi)的__lt__比較運(yùn)算來(lái)進(jìn)行比較。

def heapq_int():
  heap = []
  #以堆的形式插入堆
  heapq.heappush(heap,10)
  heapq.heappush(heap,1)
  heapq.heappush(heap,10/2)
  [heapq.heappush(heap,i) for i in range(10)]
  [heapq.heappush(heap,10 - i) for i in range(10)]
  #最大的10個(gè)元素
  print heapq.nlargest(10,heap)
  #輸出所有元素
  print [heapq.heappop(heap) for i in range(len(heap))]

1.2.元組類(lèi)型

元素會(huì)默認(rèn)調(diào)用內(nèi)置比較函數(shù)cmp

def heapq_tuple():
  heap = []
  #向推中插入元組
  heapq.heappush(heap,(10,'ten'))
  heapq.heappush(heap,(1,'one'))
  heapq.heappush(heap,(10/2,'five'))
  while heap:
    print heapq.heappop(heap),
  print

1.2.類(lèi)類(lèi)型

類(lèi)類(lèi)型,使用的是小于號(hào)_lt_,當(dāng)然沒(méi)有重寫(xiě)但是有其他的比較函數(shù)例如:_le_,_gt_,_cmp_,也是會(huì)調(diào)用的,和小于號(hào)等價(jià)的都可以調(diào)用(測(cè)試了gt),具體的這些操作之間的關(guān)系我也沒(méi)有研究過(guò)。如果類(lèi)里面沒(méi)有重寫(xiě)_lt_,會(huì)調(diào)用其他的比較操作符,從源代碼可以看出來(lái),如果沒(méi)有_lt_,那么會(huì)調(diào)用_ge_函數(shù)。

所以可以重寫(xiě)上述的那些函數(shù):

class Skill(object):
  def __init__(self,priority,description):
    self.priority = priority
    self.description = description
  def __lt__(self,other):#operator < 
    return self.priority < other.priority
  def __ge__(self,other):#oprator >=
    return self.priority >= other.priority
  def __le__(self,other):#oprator <=
    return self.priority <= other.priority
  def __cmp__(self,other):
    #call global(builtin) function cmp for int
    return cmp(self.priority,other.priority)
  def __str__(self):
    return '(' + str(self.priority)+',\'' + self.description + '\')'

def heapq_class():
  heap = []
  heapq.heappush(heap,Skill(5,'proficient'))
  heapq.heappush(heap,Skill(10,'expert'))
  heapq.heappush(heap,Skill(1,'novice'))
  while heap:
    print heapq.heappop(heap),
  print 

所以如果要用到自己定義的類(lèi)型,可以重寫(xiě)上述函數(shù),就可以使用heapq函數(shù)了。

2.PriorityQueue

PriorityQueue的python源代碼PriorityQueue 

從源代碼可以看出來(lái),PriorityQueue使用的就是heapq來(lái)實(shí)現(xiàn)的,所以可以認(rèn)為兩者算法本質(zhì)上是一樣的。當(dāng)然PriorityQueue考慮到了線程安全的問(wèn)題。

下面給出PriorityQueue的部分API和使用方法。

參考Queue

#向隊(duì)列中添加元素
Queue.put(item[, block[, timeout]])
#從隊(duì)列中獲取元素
Queue.get([block[, timeout]])
#隊(duì)列判空
Queue.empty()
#隊(duì)列大小
Queue.qsize()

2.1.內(nèi)置類(lèi)型

直接調(diào)用內(nèi)置函數(shù)cmp進(jìn)行比較

try:
  import Queue as Q #python version < 3.0
except ImportError:
  import queue as Q #python3.*
def PriorityQueue_int():
  que = Q.PriorityQueue()
  que.put(10)
  que.put(1)
  que.put(5)
  while not que.empty():
    print que.get(),
  print

2.2.元組類(lèi)型

def PriorityQueue_tuple():
  que = Q.PriorityQueue()
  que.put((10,'ten'))
  que.put((1,'one'))
  que.put((10/2,'five'))
  while not que.empty():
    print que.get(),
  print

2.2.自定義類(lèi)型

class Skill(object):
  def __init__(self,priority,description):
    self.priority = priority
    self.description = description
  #下面兩個(gè)方法重寫(xiě)一個(gè)就可以了
  def __lt__(self,other):#operator < 
    return self.priority < other.priority
  def __cmp__(self,other):
    #call global(builtin) function cmp for int
    return cmp(self.priority,other.priority)
  def __str__(self):
    return '(' + str(self.priority)+',\'' + self.description + '\')'

def PriorityQueue_class():
  que = Q.PriorityQueue()
  skill5 = Skill(5,'proficient')
  skill6 = Skill(6,'proficient6')
  que.put(skill6)
  que.put(Skill(5,'proficient'))
  que.put(Skill(10,'expert'))
  que.put(Skill(1,'novice'))
  while not que.empty():
    print que.get(),
  print

其他的一些方法的使用還是需要參考給出的文檔的。

最后一點(diǎn),讓我比較奇怪的是(可能我并沒(méi)有找到),沒(méi)有提供像排序函數(shù)那樣,指定比較方法函數(shù),這點(diǎn)和c++有點(diǎn)區(qū)別。

這篇文檔參考:參考文檔

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