2.3 队列
队列(Queue),它是一种运算受限的线性表,先进先出(FIFO First In First Out)
-
队列是一种受限的线性结构
-
受限之处在于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
Python标准库中的queue模块提供了多种队列实现,包括普通队列、双端队列、优先队列等。
当两个程序效率不一样时,可以用队列作为缓冲池(提高系统性能,把同步操作变成异步操作)。生产者-消费者模式。
redis:可以存数组,
2.3.1 普通队列
queue.Queue 是 Python 标准库 queue 模块中的一个类,适用于多线程环境。它实现了线程安全的 FIFO(先进先出)队列。
案例:
import queue q = queue.Queue() q.put(1) q.put(3) q.put(2) print(q.qsize()) print(q.get()) print(q.get()) print(q.get())
2.3.2 双端队列
双端队列(Deque,Double-Ended Queue)是一种具有队列和栈性质的数据结构,它允许我们在两端进行元素的添加(push)和移除(pop)操作。在Python中,双端队列可以通过collections模块中的deque类来实现。
deque是一个双端队列的实现,它提供了在两端快速添加和移除元素的能力。
案例:
from collections import deque q = deque() q.append(1) q.append(2) q.appendleft(3) q.appendleft(4) print(q.pop()) print(q.popleft())
当结合使用appendleft和popleft时,你实际上是在实现一个栈(Stack)的数据结构,因为栈是后进先出(LIFO)的,而这两个操作正好模拟了栈的“压栈”和“弹栈”行为。append和pop结合使用同理。
2.3.3 优先队列
优先队列(Priority Queue)是一种特殊的队列,其中的元素按照优先级进行排序。优先级最高的元素总是最先出队。Python 标准库中提供了 queue.PriorityQueue 和 heapq 模块来实现优先队列。
queue.PriorityQueue
queue.PriorityQueue 是 Python 标准库 queue 模块中的一个类,适用于多线程环境。它实现了线程安全的优先队列。
案例:
import queue q = queue.PriorityQueue() # 向队列中添加元素,元素是一个元组 (priority, item),其中 priority 是优先级,item 是实际的数据 q.put((1,'item1')) q.put((3,'item3')) q.put((2,'item2')) print(q.get()) print(q.get()) print(q.get())
heapq
heapq 模块是 Python 标准库中的一个模块,提供了基于堆的优先队列实现。heapq 模块不是线程安全的,适用于单线程环境。
案例:
import heapq # 创建一个列表作为堆 heap = [] # 向堆中添加元素,元素是一个元组 (priority, item) heapq.heappush(heap, (3, 'Task 3')) heapq.heappush(heap, (1, 'Task 1')) heapq.heappush(heap, (2, 'Task 2')) # 从堆中取出元素 print(heapq.heappop(heap)) # 输出: (1, 'Task 1') print(heapq.heappop(heap)) # 输出: (2, 'Task 2') print(heapq.heappop(heap)) # 输出: (3, 'Task 3')
import queue
from collections import deque
import heapq
def pd_queue():
#Queue:普通队列,从队尾入队,从队头出队
#put():入队
#get():出队
q=queue.Queue()
q.put(1)
q.put(2)
q.put(3)
print(q.get())
print(q.get())
print(q.get())
#deque:双端队列,既可以在队尾进行入队和出队操作,也可以在队头进行入队和出队操作
#append():在队尾入队
#appendleft():在队头入队
#pop():在队尾出队
#popleft():在队头出队
#appendleft和popleft组合使用时,相当于栈的操作
#appned和pop组合使用同理
dq=deque()
dq.append(1)
dq.append(2)
dq.appendleft(3)
dq.appendleft(4)
print(dq.popleft())
print(dq.popleft())
print(dq.popleft())
print(dq.popleft())
#PriorityQueue:优先队列,参数:元组(优先级,元素),优先级的数值越小,优先级越高
pq=queue.PriorityQueue()
pq.put((1,'item1'))
pq.put((3, 'item2'))
pq.put((3, 'item3'))
print('--------------')
print(pq.get())
print(pq.get())
print(pq.get())
#heapq:优先队列,基于堆实现的,预先定义一个数组作为heap对象,线程不安全
#heappush():参数1:heap是预先定义的堆,参数2:向队中添加优先级的元素元祖(优先级,元素值),优先级的数值越小,优先级越高
#heappop(heap):参数:heap是预先定义的堆
heap=[ ]
heapq.heappush(heap,(1,'hq1'))
heapq.heappush(heap,(3,'hq2'))
heapq.heappush(heap,(2,'hq3'))
print('-----------')
print(heapq.heappop(heap))
print(heapq.heappop(heap))
print(heapq.heappop(heap))
if __name__=='__main__':
pd_queue
2.4 树
2.4.1 概念和术语
模拟树结构
将组织架构里的数据移除, 抽象出来结构, 那么就是我们要学习的树结构
术语
树的结构:
树的定义:
-
树(Tree): n(n≥0)个结点构成的有限集合。
-
当n=0时,称为空树;
-
对于任一棵非空树(n> 0),它具备以下性质:
-
树中有一个称为“根(Root)”的特殊结点,用 root 表示;
-
其余结点可分为m(m>0)个互不相交的有限集T1,T2,... ,Tm,其中每个集合本身又是一棵树,称为原来树的“子树(SubTree)”
注意:
-
子树之间不可以相交
-
除了根结点外,每个结点有且仅有一个父结点;
-
一棵N个结点的树有N-1条边。
-
树的术语:
-
1.结点的度(Degree):该结点的拥有的子节点数量。
-
2.树的度:树的所有结点中最大的度数. (树的度通常为结点的个数N-1)
-
3.叶子结点(Leaf):度为0的结点. (也称为叶子结点)
-
4.父结点(Parent):有子树的结点是其子树的根结点的父结点
-
5.子结点(Child):若A结点是B结点的父结点,则称B结点是A结点的子结点;子结点也称孩子结点。
-
6.兄弟结点(Sibling):具有同一父结点的各结点彼此是兄弟结点。
-
7.路径和路径长度:从结点n1到nk的路径为一个结点序列n1 , n2,… , nk, ni是 ni+1的父结点。路径所包含边的个数为路径的长度。
-
8.结点的层次(Level):规定根结点在1层,其它任一结点的层数是其父结点的层数加1。
-
9.树的深度(Depth):树中所有结点中的最大层次是这棵树的深度。
2.4.2 二叉树
2.4.2.1 概念
二叉树的定义
-
二叉树可以为空, 也就是没有结点.
-
若不为空,则它是由根结点和称为其左子树TL和右子树TR的两个不相交的二叉树组成。
二叉树有五种形态:
-
注意c和d是不同的二叉树, 因为二叉树是有左右之分的.
2.4.2.2 特性
-
二叉树有几个比较重要的特性, 在笔试题中比较常见:
-
一个二叉树第 i 层的最大结点数为:2^(i-1), i >= 1;
-
深度为k的二叉树有最大结点总数为: 2^k - 1, k >= 1;
-
对任何非空二叉树 T,若n0表示叶结点的个数、n2是度为2的非叶结点个数,那么两者满足关系n0 = n2 + 1。
-
2.4.2.3 特殊的二叉树
满二叉树(Full Binary Tree)
-
在二叉树中, 除了最下一层的叶结点外, 每层节点都有2个子结点, 就构成了满二叉树.
完全二叉树(Complete Binary Tree)
-
除二叉树最后一层外, 其他各层的节点数都达到最大个数.
-
且最后一层从左向右的叶结点连续存在, 只缺右侧若干节点.
-
满二叉树是特殊的完全二叉树.
-
下面不是完全二叉树, 因为D节点还没有右结点, 但是E节点就有了左右节点.
2.4.2.4 二叉树的存储
二叉树的存储常见的方式是链表.
链表存储:
-
二叉树最常见的方式还是使用链表存储.
-
每个结点封装成一个Node, Node中包含存储的数据, 左结点的引用, 右结点的引用.
2.4.2.5 二叉树遍历
前序遍历(Pre-order Traversal)、中序遍历(In-order Traversal)和后序遍历(Post-order Traversal)是二叉树的三种基本遍历方式。
遍历规则:
前序遍历,按照以下顺序访问节点:根节点、左子树、右子树。
中序遍历,按照以下顺序访问节点:左子树、根节点、右子树。
后序遍历,按照以下顺序访问节点:左子树、右子树、根节点。
2.4.3 二叉查找树
二叉查找树(Binary Search Tree, BST)是一种特殊的二叉树,它具有以下性质:
-
每个节点都有一个键值(key)。
-
对于每个节点,其左子树中的所有节点的键值都小于该节点的键值。
-
对于每个节点,其右子树中的所有节点的键值都大于该节点的键值。
-
左子树和右子树也分别是二叉查找树。
-
二叉查找树不允许出现键值相等的结点。
二叉查找树的主要操作包括插入、删除和遍历。代码实现如下:
2.4.3.1 创建二叉查找树节点
class TreeNode: def __init__(self, key): self.key = key self.left = None self.right = None
-
key: 节点的键值。
-
left: 指向左子节点的指针。
-
right: 指向右子节点的指针。
2.4.3.2 创建二叉查找树类
class BinarySearchTree: def __init__(self): self.root = None
-
root: 指向二叉搜索树的根节点。初始时为 None。
2.4.3.3 插入节点
插入操作的步骤:
-
如果树为空:直接将新节点作为根节点。
-
如果树不为空:
-
从根节点开始,根据新节点的键值与当前节点的键值的比较结果,决定向左子树还是右子树移动。
-
如果新节点的键值小于当前节点的键值,如果当前节点没有左子树,则将新节点插入到当前节点的左子树,否则向左子树移动。
-
如果新节点的键值大于当前节点的键值,如果当前节点没有右子树,则将新节点插入到当前节点的右子树,否则向右子树移动。
-
重复上述步骤,直到找到一个空位置,将新节点插入到该位置。
-
def insert(self, key): if self.root is None: self.root = TreeNode(key) else: self._insert(self.root, key) def _insert(self, node, key): if key < node.key: if node.left is None: node.left = TreeNode(key) else: self._insert(node.left, key) elif key > node.key: if node.right is None: node.right = TreeNode(key) else: self._insert(node.right, key)
-
insert(key): 公开的插入方法。如果树为空,则创建一个新节点作为根节点;否则,调用 _insert 方法进行递归插入。
-
_insert(node, key): 递归插入方法。根据键值的大小,递归地在左子树或右子树中插入新节点。
2.4.3.4 查找节点
def search(self, key): return self._search(self.root, key) def _search(self, node, key): if node is None or node.key == key: return node if key < node.key: return self._search(node.left, key) return self._search(node.right, key)
2.4.3.5 删除节点
删除逻辑:
1.递归查找待删除节点
-
如果待删除节点的键值小于当前节点的键值,递归地在左子树中查找并删除。
-
如果待删除节点的键值大于当前节点的键值,递归地在右子树中查找并删除。
2.找到待删除节点
删除操作的步骤可以分为以下几种情况:
-
待删除节点是叶子节点(没有子节点):直接删除该节点。
-
待删除节点只有一个子节点:用其子节点替换该节点。
-
待删除节点有两个子节点:
-
找到右子树中的最小节点(即后继节点)。
-
用后继节点的键值替换待删除节点的键值。
-
删除后继节点(后继节点要么是叶子节点,要么只有一个右子节点)。
-
假设我们有以下二叉搜索树:
50 / \ 30 70 / \ / \ 20 40 60 80
删除节点 20
-
找到键值为 20 的节点。
-
该节点是叶子节点,直接删除。
删除后的树:
50 / \ 30 70 \ / \ 40 60 80
删除节点 30
-
找到键值为 30 的节点。
-
该节点有一个右子节点 40,用 40 替换 30。
删除后的树:
50 / \ 40 70 / \ 60 80
删除节点 50
-
找到键值为 50 的节点。
-
该节点有两个子节点,找到右子树中的最小节点 60(即后继节点)。
-
用 60 替换 50。
-
删除右子树中的 60。
删除后的树:
60 / \ 40 70 \ 80
def delete(self, key): self.root = self._delete(self.root, key) def _delete(self, node, key): if node is None: return node if key < node.key: node.left = self._delete(node.left, key) elif key > node.key: node.right = self._delete(node.right, key) else: # 找到要删除的节点 # 情况 1: 节点是叶子节点 if node.left is None and node.right is None: return None # 情况 2: 节点只有一个子节点 elif node.left is None: return node.right elif node.right is None: return node.left # 情况 3: 节点有两个子节点 temp = self._min_value_node(node.right) node.key = temp.key node.right = self._delete(node.right, temp.key) return node def _min_value_node(self, node): current = node while current.left is not None: current = current.left return current
2.4.3.6 中序遍历
先遍历左子树,然后访问当前节点,最后遍历右子树。
def inorder_traversal(self): result = [] self._inorder_traversal(self.root, result) return result def _inorder_traversal(self, node, result): if node: self._inorder_traversal(node.left, result) result.append(node.key) self._inorder_traversal(node.right, result)
2.4.3.7 前序遍历
先访问根节点、然后遍历左子树、最后遍历右子树。
def preorder_search(self): result = [] if self.root is None: return None self._preorder_search(self.root, result) return result def _preorder_search(self,node,result): if node is None: return None result.append(node.key) self._preorder_search(node.left,result) self._preorder_search(node.right,result) # 后序遍历,按照以下顺序访问节点:左子树、右子树、根节点。 def _behind_search(self, node, result): if node: self._behind_search(node.left, result) self._behind_search(node.right, result) result.append(node.key) def remove(self,key): if self.root is None: return None self.root=self._remove(self.root,key)
class TreeNode:
def __init__(self,key):
self.key=key
self.left=None
self.right=None
class BST:
def __init__(self):
self.root=None
def insert(self,key):
#判断树是否为空,是则将新节点赋给根节点
if self.root is None:
self.root=TreeNode(key)
else:
self._insert(self.root,key)
def _insert(self,node,key):
#如果要插入的键值小于当前节点的键值,则判断当前节点是否有左子树,没有则将新节点赋给当前节点的左子树,
#有则继续向当前节点的左子树移动,递归插入
if key<node.key:
if node.left is None:
node.left=TreeNode(key)
else:
#node.left:当前节点的左子树节点
self._insert(node.left,key)
#如果要插入的键值大于当前节点的键值,则判断当前节点是否有右子树,没有则将新节点插入到当前节点的右子树
#有则继续向当前节点的右子树移动,递归插入
else:
if node.right is None:
node.right=TreeNode(key)
else:
self._insert(node.right,key)
def inorder_search(self):
result=[ ]
self._inorder_search(self.root,result)
return result
#中序遍历:左子树、根、右子树
def _inorder_search(self,node,result):
if node:
self._inorder_search(node.left,result)
result.append(node.key)
self._inorder_search(node.right,result)
def frontorder_search(self):
result=[ ]
if self.root is None:
return None
self._front_search(self.root,result)
return result
# 前序遍历,按照以下顺序访问节点:根节点、左子树、右子树。
def _front_search(self, node, result):
if node is None:
return None
else:
result.append(node.key)
self._front_search(node.left, result)
self._front_search(node.right, result)
def behindorder_search(self):
result=[ ]
self._behind_search(self.root,result)
return result
# 后序遍历,按照以下顺序访问节点:左子树、右子树、根节点。
def _behind_search(self, node, result):
if node:
self._behind_search(node.left, result)
self._behind_search(node.right, result)
result.append(node.key)
def remove(self,key):
if self.root is None:
return None
self.root=self._remove(self.root,key)
def _remove(self,node,key):
#如果树为空,则返回None
if node is None:
return None
#判断指定的key和当前节点的key的大小,如果指定key小于当前节点的key,则递归遍历左子树
#如果指定key大于当前节点的key,则递归遍历右子树
if key <node.key:
node.left=self._remove(node.left,key)
elif key >node.key:
node.right=self._remove(node.right,key)
#指定key等于当前节点的key:
#1.当前节点没有子节点,则直接删除,返回None
#2.当前节点有一个子节点,1).有右子节点,则用右子节点替换当前节点;2).有左子结点,则用左子结点替换当前节点
#3.当前节点有两个子节点:查找当前节点右子树的左子树,找到最小值,用最小值节点替换当前节点,删除最小值节点
else:
#如果当前节点左右子树都为空则返回None
if node.left is None and node.right is None:
return None
#如果当前节点只有一个子树,如果左子树为空,则返回右子树节点;如果右子树节点为空,则返回左子树节点
elif node.left is None:
return node.right
elif node.right is None:
return node.left
#如果当前节点有两个子树,则查询当前节点右子树的左子树,找到最小值节点
#将最小值替换到当前节点
#将最小值节点递归删除
else:
temp=self._min_value_node(node.right)
node.key=temp.key
#以当前节点的右子树节点为根节点,删除最小值节点
node.right=self._remove(node.right,temp.key)
return node
#查找当前节点的最小值,最小值在当前节点的左子树中
def _min_value_node(self,node):
while node.left is not None:
node=node.left
return node
if __name__=='__main__':
bst=BST()
bst.insert(5)
bst.insert(8)
bst.insert(3)
bst.insert(2)
bst.insert(7)
bst.insert(4)
result=bst.inorder_search()
print(result)
result1 = bst.frontorder_search()
print(result1)
result2 = bst.behindorder_search()
print(result2)
# bst.remove(4)
# result=bst.inorder_search()
# print(result)