【python基础之可变和不可变数据类型】---python之栈的介绍

合集 - Python(50)

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收起

【二】栈

【0】引入

• https://www.hello-algo.com/chapter_stack_and_queue/

• 栈如同叠猫猫，而队列就像猫猫排队。

• 两者分别代表着先入后出和先入先出的逻辑关系。

【1】栈的介绍

• 「栈 stack」是一种遵循先入后出的逻辑的线性数据结构。
• 我们可以将栈类比为桌面上的一摞盘子，如果需要拿出底部的盘子，则需要先将上面的盘子依次取出。
  • 我们将盘子替换为各种类型的元素（如整数、字符、对象等），就得到了栈数据结构。
• 如图 5-1 所示，我们把堆叠元素的顶部称为“栈顶”，底部称为“栈底”。
  • 将把元素添加到栈顶的操作叫做“入栈”，删除栈顶元素的操作叫做“出栈”。

【2】栈的实现

• 栈遵循先入后出的原则，因此我们只能在栈顶添加或删除元素。
• 然而，数组和链表都可以在任意位置添加和删除元素，因此栈可以被视为一种受限制的数组或链表。
• 换句话说，我们可以“屏蔽”数组或链表的部分无关操作，使其对外表现的逻辑符合栈的特性。

【3】基于链表的实现

• 使用链表来实现栈时，我们可以将链表的头节点视为栈顶，尾节点视为栈底。
• 如图 5-2 所示，对于入栈操作，我们只需将元素插入链表头部，这种节点插入方法被称为“头插法”。
• 而对于出栈操作，只需将头节点从链表中删除即可。

（1）基于链表图解

• LinkedListStack

• push()

• pop()

（2）基于链表代码

class LinkedListStack:
    """基于链表实现的栈"""

    def __init__(self):
        """构造方法"""
        self._peek: ListNode | None = None
        self._size: int = 0

    def size(self) -> int:
        """获取栈的长度"""
        return self._size

    def is_empty(self) -> bool:
        """判断栈是否为空"""
        return not self._peek

    def push(self, val: int):
        """入栈"""
        node = ListNode(val)
        node.next = self._peek
        self._peek = node
        self._size += 1

    def pop(self) -> int:
        """出栈"""
        num = self.peek()
        self._peek = self._peek.next
        self._size -= 1
        return num

    def peek(self) -> int:
        """访问栈顶元素"""
        if self.is_empty():
            raise IndexError("栈为空")
        return self._peek.val

    def to_list(self) -> list[int]:
        """转化为列表用于打印"""
        arr = []
        node = self._peek
        while node:
            arr.append(node.val)
            node = node.next
        arr.reverse()
        return arr

【4】基于数组的实现

• 使用数组实现栈时，我们可以将数组的尾部作为栈顶。
• 如图 5-3 所示，入栈与出栈操作分别对应在数组尾部添加元素与删除元素

（1）基于数组图解

• ArrayStack

• push()

• pop()

（2）基于数组代码

• 由于入栈的元素可能会源源不断地增加，因此我们可以使用动态数组，这样就无须自行处理数组扩容问题。

class ArrayStack:
    """基于数组实现的栈"""

    def __init__(self):
        """构造方法"""
        self._stack: list[int] = []

    def size(self) -> int:
        """获取栈的长度"""
        return len(self._stack)

    def is_empty(self) -> bool:
        """判断栈是否为空"""
        return self._stack == []

    def push(self, item: int):
        """入栈"""
        self._stack.append(item)

    def pop(self) -> int:
        """出栈"""
        if self.is_empty():
            raise IndexError("栈为空")
        return self._stack.pop()

    def peek(self) -> int:
        """访问栈顶元素"""
        if self.is_empty():
            raise IndexError("栈为空")
        return self._stack[-1]

    def to_list(self) -> list[int]:
        """返回列表用于打印"""
        return self._stack

【5】栈典型应用

• 浏览器中的后退与前进、软件中的撤销与反撤销。每当我们打开新的网页，浏览器就会将上一个网页执行入栈，这样我们就可以通过后退操作回到上一页面。后退操作实际上是在执行出栈。如果要同时支持后退和前进，那么需要两个栈来配合实现。
• 程序内存管理。每次调用函数时，系统都会在栈顶添加一个栈帧，用于记录函数的上下文信息。在递归函数中，向下递推阶段会不断执行入栈操作，而向上回溯阶段则会执行出栈操作。