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Python中的几种栈实现及其优缺点

​​想了解更多关于开源的内容,请访问:​​​​51CTO开源基础软件社区​​​​https://ost.51cto.com​​一、栈的概念栈由一系列对象对象组织的一个集合,这些对象的增加和删除操作都遵循一个“后进先出”(LastInFirstOut,LIFO)的原则。在任何时刻只能向栈中插入一个对象,但只能取得或者删除只能在栈顶进行。比如由书构成的栈,唯一露出封面的书就是顶部的那本,为了拿到其他的书,只能移除压在上面的书,如图:栈的实际应用实际上很多应用程序都会用到栈,比如:网络浏览器将最近浏览的

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    Python中的几种栈实现及其优缺点

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    ​​51CTO 开源基础软件社区​​

    ​​https://ost.51cto.com​​

    一、栈的概念

    栈由一系列对象对象组织的一个集合,这些对象的增加和删除操作都遵循一个“后进先出”(Last In First Out,LIFO)的原则。

    在任何时刻只能向栈中插入一个对象,但只能取得或者删除只能在栈顶进行。比如由书构成的栈,唯一露出封面的书就是顶部的那本,为了拿到其他的书,只能移除压在上面的书,如图:

    Python中的几种栈实现及其优缺点

    栈的实际应用

    实际上很多应用程序都会用到栈,比如:

    1. 网络浏览器将最近浏览的网址存放在一个栈中。每当用户访问者访问一个新网站时,这个新网站的网址就被压入栈顶。这样,每当我们在浏览器单击“后退”按钮时(或者按键盘快捷键 CTRL+Z ,大部分撤销快捷键),就可以弹出当前最近一次访问的网址,以回到其先前访问的浏览状态。
    2. 文本编辑器通常会提供一个“撤销”机制以取消最近的编辑操作并返回到先前状态。这个撤销操作也是通过将文本的变化状态保存在一个栈中得以实现。
    3. 一些高级语言的内存管理,JVM 的栈、Python 栈还用于内存管理、嵌套语言特性的运行时环境等
    4. 回溯(玩游戏,寻找路径,穷举搜索)
    5. 在算法中使用,如汉诺塔、树形遍历、直方图问题,也用于图算法,如拓扑排序
    6. 语法处理:
    • 参数和局部变量的空间是用堆栈在内部创建的。
    • 编译器对大括号匹配的语法检查
    • 对递归的支持
    • 在编译器中像后缀或前缀一样的表达式

    二、栈的抽象数据类型

    任何数据结构都离不开数据的保存和获得方式,如前所述,栈是元素的有序集合,添加和操作与移除都发生在其顶端(栈顶),那么它的抽象数据类型包括:

    • Stack() :创建一个空栈,它不需要参数,且会返回一个空栈。
    • push(e): 将一个元素 e 添加到栈 S 的栈顶,它需要一个参数 e,且无返回值。
    • pop() : 将栈顶端的元素移除,它不需要参数,但会返回顶端的元素,并且修改栈的内容。
    • top(): 返回栈顶端的元素,但是并不移除栈顶元素;若栈为空,这个操作会操作。
    • is_empty(): 如果栈中不包含任何元素,则返回一个布尔值True。
    • size():返回栈中元素的数据。它不需要参数,且会返回一个整数。在 Python 中,可以用__len__ 这个特殊方法实现。

    Python中的几种栈实现及其优缺点

    Python 栈的大小可能是固定的,也可能有一个动态的实现,即允许大小变化。在大小固定栈的情况下,试图向已经满的栈添加一个元素会导致栈溢出异常。同样,试图从一个已经是空的栈中移除一个元素,进行 ​​pop()​​ 操作这种情况被称为下溢。

    三、用 Python 的列表实现栈

    在学习 Python 的时候,一定学过 Python 列表 ​​list​​ , 它能通过一些内置的方式实现栈的功能:

    • 通过append 方法用于添加一个元素到列表尾部,这种方式就能模拟push() 操作。
    • 通过pop() 方法用于模拟出栈操作。
    • 通过L[-1] 模拟top()操作。
    • 通过判断len(L)==0 模拟isEmpty() 操作。
    • 通过len() 函数实现size() 函数。

    Python中的几种栈实现及其优缺点

    代码如下:

    class ArrayStack:
    """ 通过 Python 列表实现 LIFO 栈"""
    def __init__(self):
    self._data = []
    def size(self):
    """ return the number of elements in the stack"""
    return len(self._data)
    def is_empty(self):
    """ return True if the stack is empty"""
    return len(self._data) == 0
    def push(self, e):
    """ add element e to the top of the stack"""
    self._data.append(e)
    
    def pop(self):
    """ remove and return the element from the top of the stack
    """
    if self.is_empty():
    raise Exception('Stack is empty')
    return self._data.pop()
    def top(self):
    """return the top of the stack
    Raise Empty exception if the stack is empty
    """
    if self.is_empty():
    raise Exception('Stack is empty')
    return self._data[-1]# the last item in the list
    arrayStack = ArrayStack()
    arrayStack.push("Python")
    arrayStack.push("Learning")
    arrayStack.push("Hello")
    print("Stack top element: ", arrayStack.top())
    print("Stack length: ", arrayStack.size())
    print("Stack popped item: %s" % arrayStack.pop())
    print("Stack is empty?", arrayStack.is_empty())
    arrayStack.pop()
    arrayStack.pop()
    print("Stack is empty?", arrayStack.is_empty())
    # arrayStack.pop()

    运行该程序,结果:

    Stack top element:Hello
    Stack length:3
    Stack popped item: Hello
    Stack is empty? False
    Stack is empty? True

    除了将列表的队尾作为栈顶,也可以通过将列表的头部作为栈的顶端。不过在这种情况下,便无法直接使用 pop() 方法和 append()方法,但是可以通过 pop() 和 insert() 方法显式地访问下标为 0 的元素,即列表的第一个元素,代码如下:

    class ArrayStack:
    """ 通过 Python 列表实现 LIFO 栈"""
    def __init__(self):
    self._data = []
    def size(self):
    """ return the number of elements in the stack"""
    return len(self._data)
    def is_empty(self):
    """ return True if the stack is empty"""
    return len(self._data) == 0
    def push(self, e):
    """ add element e to the top of the stack"""
    self._data.insert(0, e) 
    def pop(self):
    """ remove and return the element from the top of the stack
    """
    if self.is_empty():
    raise Exception('Stack is empty')
    return self._data.pop(0)
    def top(self):
    """return the top of the stack
    Raise Empty exception if the stack is empty
    """
    if self.is_empty():
    raise Exception('Stack is empty')
    return self._data[0]# the last item in the list

    虽然我们改变了抽象数据类型的实现,却保留了其逻辑特征,这种能力体现了抽象思想。不管,虽然两种方法都实现了栈,但两者的性能方法有差异:

    • append()​ 和pop() 方法的时间复杂度都是 *O(1),*常数级别操作
    • 第二种实现的性能则受制于栈中的元素个数,这是因为insert(0)​ 和pop(0) 的时间复杂度都是O(n),元素越多就越慢。​

    四、用 collections.deque 实现栈

    在 Python 中,collections 模块有一个双端队列数据结构 deque,这个数据结构同样实现了 append() 和 pop() 方法:

    >>> from collections import deque
    >>> myStack = deque()
    >>> myStack.append('Apple')
    >>> myStack.append('Banana')
    >>> myStack.append('Orange')
    >>> 
    >>> myStack
    deque(['Apple', 'Banana', 'Orange'])
    >>> myStack.pop()
    'Orange'
    >>> myStack.pop()
    'Banana'
    >>>
    >>> len(myStack)
    1
    >>> myStack[0]
    'Apple'
    >>> myStack.pop()
    'Apple'
    
    >>>
    >>> myStack.pop()
    Traceback (most recent call last):
    File "", line 1, in 
    myStack.pop()
    IndexError: pop from an empty deque
    >>>

    为什么有了 list 还需要 deque?

    可能你可以看到 deque 和列表 list 对元素的操作差不多,那么为什么 Python 中有列表还增加了 deque 这一个数据结构呢?

    那是因为,Python 中的列表建立在连续的内存块中,意味着列表的元素是紧挨着存储的。

    Python中的几种栈实现及其优缺点

    这对一些操作来说非常有效,比如对列表进行索引。获取 myList[3] 的速度很快,因为 Python 确切地知道在内存中寻找它的位置。这种内存布局也允许切片在列表上很好地工作。

    毗连的内存布局是 list 可能需要花费更多时间来 .append() 一些对象。如果连续的内存块已经满了,那么它将需要获得另一个内存块,先将整体 copy 过去,这个动作可能比一般的 .append() 操作花费更多的时间。

    Python中的几种栈实现及其优缺点

    而双端队列 deque 是建立在一个双链表的基础上。在一个链接列表结构中,每个条目都存储在它自己的内存块中,并有一个对列表中下一个条目的引用。

    双链表也是如此,只是每个条目都有对列表中前一个和后一个条目的引用。这使得你可以很容易地在列表的两端添加节点。

    在一个链接列表结构中添加一个新的条目,只需要设置新条目的引用指向当前堆栈的顶部,然后将堆栈的顶部指向新条目。

    Python中的几种栈实现及其优缺点

    Python中的几种栈实现及其优缺点

    然而,这种在栈上不断增加和删除条目的时间是有代价的。获取 myDeque[3] 的速度要比列表慢,因为 Python 需要走过列表的每个节点来获取第三个元素。

    幸运的是,你很少想在栈上做随机索引元素或进行列表切片操作。栈上的大多数操作都是 push 或 pop。

    如果你的代码不使用线程,常数时间的 .append() 和 .pop() 操作使 deque 成为实现 Python 栈的一个更好的选择。

    五、用 queue.LifoQueue 实现栈

    Python 栈在多线程程序中也很有用,我们已经学习了 list 和 deque 两种方式。对于任何可以被多个线程访问的数据结构,在多线程编程中,我们不应该使用 list,因为列表不是线程安全的。deque 的 .append() 和 .pop() 方法是原子性的,意味着它们不会被不同的线程干扰。

    因此,虽然使用 deque 可以建立一个线程安全的 Python 堆栈,但这样做会使你自己在将来被人误用,造成竞态条件。

    好吧,如果你是多线程编程,你不能用 list 来做堆栈,你可能也不想用 deque 来做堆栈,那么你如何为一个线程程序建立一个 Python 堆栈?

    答案就在 queue 模块中:queue.LifoQueue。还记得你是如何学习到栈是按照后进先出(LIFO)的原则运行的吗?嗯,这就是 LifoQueue 的 "Lifo "部分所代表的含义。

    虽然 list 和 deque 的接口相似,但 LifoQueue 使用 .put() 和 .get() 来从栈中添加和删除数据。

    >>> from queue import LifoQueue
    >>> stack = LifoQueue()
    >>> stack.put('H')
    >>> stack.put('E')
    >>> stack.put('L')
    >>> stack.put('L')
    >>> stack.put('O')
    >>> stack
    
    >>> 
    >>> stack.get()
    'O'
    >>> stack.get()
    'L'
    >>> stack.empty()
    False
    >>> stack.qsize()
    3
    >>> stack.get()
    'L'
    >>> stack.get()
    'E'
    >>> stack.qsize()
    1
    >>> stack.get()
    'H'
    >>> stack.get_nowait()
    Traceback (most recent call last):
    File "", line 1, in 
    stack.get_nowait()
    _queue.Empty
    >>> 
    
    >>> stack.put('Apple')
    >>> stack.get_nowait()
    'Apple'

    与 deque 不同,LifoQueue 被设计为完全线程安全的。它的所有方法都可以在线程环境中安全使用。它还为其操作添加了可选的超时功能,这在线程程序中经常是一个必须的功能。

    然而,这种完全的线程安全是有代价的。为了实现这种线程安全,LifoQueue 必须在每个操作上做一些额外的工作,这意味着它将花费更长的时间。

    通常情况下,这种轻微的减速对你的整体程序速度并不重要,但如果你已经测量了你的性能,并发现你的堆栈操作是瓶颈,那么小心地切换到 deque 可能是值得做的。

    六、选择哪一种实现作为栈

    一般来说,如果你不使用多线程,你应该使用 deque。如果你使用多线程,那么你应该使用 LifoQueue,除非你已经测量了你的性能,发现 push 和 pop 的速度的小幅提升会带来足够的差异,以保证维护风险。

    你可以对列表可能很熟悉,但需要谨慎使用它,因为它有可能存在内存重新分配的问题。deque 和 list 的接口是相同的,而且 deque 没有线程不安全问题。

    七、总结

    本文介绍了栈这一数据结构,并介绍了在现实生活中的程序中如何使用它的情况。在文章的中,介绍了 Python 中实现栈的三种不同方式,知道了 deque 对于非多线程程序是一个更好的选择,如果你要在多线程编程环境中使用栈的话,可以使用 LifoQueue。

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