Python的双端队列deque

导读

Python的强大并不在于它的语法，而在于它的库，当你对各种数据结构感到苦恼时，Python提供了各种开箱即用的数据结构。

数据结构中最常讲授的数据结构有栈、队列、双端队列。

栈是一种特殊的线性表，它只允许在一端进行插入、删除操作，这一端被称为栈顶（top），另一端则被称为栈底（bottom）。

从栈顶插入一个元素被称为进栈，将一个元素插入栈顶被称为“压入栈”，对应的英文说法为push。

从栈顶删除一个元素被称为出栈，将一个元素从栈顶删除被称为“弹出栈”，对应的英文说法为pop。对于栈而言，最先入栈的元素位于栈底，只有等到上面所有元素出栈之后，栈底的元素才能出栈。因此栈是一种后进先出（LIFO）的线性表。

图1为栈的操作示意图。

图1 栈的操作

队列也是一种特殊的线性表，它只允许在表的前端（front）进行删除操作，只允许在表的后端（rear）进行插入操作。进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。

对于一个队列来说，每个元素总是从队列的rear端进入队列，然后等待该元素之前的所有元素出队之后，当前元素才能出队。因此，把队列简称为先进先出（FIFO）的线性表。

队列的示意如图2所示。

图2 队列

双端队列（即此处介绍的deque）代表一种特殊的队列，它可以在两端同时进行插入、删除操作，如图3所示。

图3 双端队列示意

对于双端队列，由于它可以从两端分别进入插入、删除操作，如果程序将所有的插入、删除操作固定在一端进行，这个双端队列就变成前面介绍的栈；如果固定在一端只添加元素、在另一端只删除元素，那它就是队列，因此，deque既可当成队列使用，也可当成栈使用。

deque位于collections包下，在交互式解释器中先导入collections包，然后输入[e for e in dir(collections.deque) if not e.startswith('_')]来查看deque的全部方法，可看到如下输出。

>>> from collections import deque
>>> [e for e in dir(deque) if not e.startswith('_')]
['append', 'appendleft', 'clear', 'copy', 'count', 'extend', 'extendleft', 'index', 'insert', 'maxlen', 'pop', 'popleft', 'remove', 'reverse', 'rotate']

从上面方法可以看出，deque的方法基本都有两个版本，这就体现了它作为双端队列的特征。deque的左边（left）就相当于它的队列头（front）、右边（right）就相当于它的队列尾（rear）。

• append和appendleft：在deque的右边或左边添加元素；也就是默认在队列尾添加元素。
• pop和popleft：在deque的右边或左边弹出元素；也就是默认在队列尾弹出元素。
• extend和extendleft：在deque的右边或左边添加多元素；也就是默认在队列尾添加多个元素。

deque中clear()方法用法清空队列，insert()方法则是线性表的方法，用于在指定位置插入元素。

假如程序要把deque当成栈使用，意味着只在一端添加、删除元素，因此调用append和pop方法即可。例如如下代码。

from collections import deque
stack = deque(('Kotlin', 'Python'))
# 元素入栈
stack.append('Erlang')
stack.append('Swift')
print('stack中的元素：' , stack)
# 元素出栈，后添加的元素先出栈
print(stack.pop())
print(stack.pop())
print(stack)

运行上面程序，可看到如下结果。

stack中的元素：deque(['Kotlin', 'Python', 'Erlang', 'Swift'])
Swift
Erlang
deque(['Kotlin', 'Python'])

从上面运行结果可以看出：程序最后入栈的元素'Swift'最先出栈，这体现了栈的LIFO的特征。

假如程序需要把deque当成队列使用，意味着一端只是用来添加元素，另一端只是用于删除元素，因此调用append、popleft方法组合即可。例如如下代码。

from collections import deque

q = deque(('Kotlin', 'Python'))
# 元素加入队列
q.append('Erlang')
q.append('Swift')
print('q中的元素：' , q)
# 元素出队列，先添加的元素先出队列
print(q.popleft())
print(q.popleft())
print(q)

运行上面程序，可看到如下结果。

q中的元素：deque(['Kotlin', 'Python', 'Erlang', 'Swift'])
Kotlin
Python
deque(['Erlang', 'Swift'])

从上面运行结果可以看出：程序先添加的元素'Kotlin'最先出队列，这体现了栈的FIFO的特征。

此外，deque还有一个rotate()方法，该方法的作用是将队列的队尾元素移动到队头来，使之首尾相连。例如如下程序。

from collections import deque

q = deque(range(5))
print('q中的元素：' , q)
# 执行旋转，使之首尾相连
q.rotate()
print('q中的元素：' , q)
# 再次执行旋转，使之首尾相连
q.rotate()
print('q中的元素：' , q)
运行上面程序，可以看到如下输出。
q中的元素：deque([0, 1, 2, 3, 4])
q中的元素：deque([4, 0, 1, 2, 3])
q中的元素：deque([3, 4, 0, 1, 2])

从上面程序运行结果来看，每次执行rotate()方法，deque的队尾元素都会被移到队头，这样就形成了首尾相连的效果。