本篇主要实现四种数据结构，分别是数组、堆栈、队列、链表。我不知道我为什么要用Python来干C干的事情，总之Python就是可以干。
所有概念性内容可以在参考资料中找到出处
数组
数组的设计
数组设计之初是在形式上依赖内存分配而成的，所以必须在使用前预先请求空间。这使得数组有以下特性：
- 请求空间以后大小固定，不能再改变（数据溢出问题）；
- 在内存中有空间连续性的表现，中间不会存在其他程序需要调用的数据，为此数组的专用内存空间；
- 在旧式编程语言中（如有中阶语言之称的C），程序不会对数组的操作做下界判断，也就有潜在的越界操作的风险（比如会把数据写在运行中程序需要调用的核心部分的内存上）。
因为简单数组强烈倚赖电脑硬件之内存，所以不适用于现代的程序设计。欲使用可变大小、硬件无关性的数据类型，Java等程序设计语言均提供了更高级的数据结构：ArrayList、Vector等动态数组。
Python的数组
从严格意义上来说:Python里没有严格意义上的数组。
List可以说是Python里的数组，下面这段代码是CPython的实现List的结构体:
typedef struct {
PyObject_VAR_HEAD
/* Vector of pointers to list elements. list[0] is ob_item[0], etc. */
PyObject **ob_item;
/* ob_item contains space for 'allocated' elements. The number
* currently in use is ob_size.
* Invariants:
* 0 <= ob_size <= allocated
* len(list) == ob_size
* ob_item == NULL implies ob_size == allocated == 0
* list.sort() temporarily sets allocated to -1 to detect mutations.
*
* Items must normally not be NULL, except during construction when
* the list is not yet visible outside the function that builds it.
*/
Py_ssize_t allocated;
} PyListObject;
取自CPython-Github
还有一篇文章讲List实现,感兴趣的朋友可以去看看。中文版。
当然，在Python里它就是数组。
后面的一些结构也将用List来实现。
堆栈
什么是堆栈
堆栈（英语：stack），也可直接称栈，在计算机科学中，是一种特殊的串列形式的数据结构，它的特殊之处在于只能允许在链接串列或阵列的一端（称为堆叠顶端指标，英语：top）进行加入资料（英语：push）和输出资料（英语：pop）的运算。另外堆叠也可以用一维阵列或连结串列的形式来完成。堆叠的另外一个相对的操作方式称为伫列。
由于堆叠数据结构只允许在一端进行操作，因而按照后进先出（LIFO, Last In First Out）的原理运作。
特点
- 先入后出，后入先出。
- 除头尾节点之外，每个元素有一个前驱，一个后继。
操作
从原理可知，对堆栈(栈)可以进行的操作有:
- top():获取堆栈顶端对象
- push():向栈里添加一个对象
- pop():从栈里推出一个对象
实现
class my_stack(object):
def __init__(self, value):
self.value = value
# 前驱
self.before = None
# 后继
self.behind = None
def __str__(self):
return str(self.value)
def top(stack):
if isinstance(stack, my_stack):
if stack.behind is not None:
return top(stack.behind)
else:
return stack
def push(stack, ele):
push_ele = my_stack(ele)
if isinstance(stack, my_stack):
stack_top = top(stack)
push_ele.before = stack_top
push_ele.before.behind = push_ele
else:
raise Exception('不要乱扔东西进来好么')
def pop(stack):
if isinstance(stack, my_stack):
stack_top = top(stack)
if stack_top.before is not None:
stack_top.before.behind = None
stack_top.behind = None
return stack_top
else:
print('已经是栈顶了')
队列
什么是队列
和堆栈类似，唯一的区别是队列只能在队头进行出队操作，所以队列是是先进先出（FIFO, First-In-First-Out）的线性表
特点
- 先入先出,后入后出
- 除尾节点外,每个节点有一个后继
- （可选）除头节点外,每个节点有一个前驱
操作
- push（）:入队
- pop（）：出队
实现
普通队列
class MyQueue():
def __init__(self, value=None):
self.value = value
# 前驱
# self.before = None
# 后继
self.behind = None
def __str__(self):
if self.value is not None:
return str(self.value)
else:
return 'None'
def create_queue():
"""仅有队头"""
return MyQueue()
def last(queue):
if isinstance(queue, MyQueue):
if queue.behind is not None:
return last(queue.behind)
else:
return queue
def push(queue, ele):
if isinstance(queue, MyQueue):
last_queue = last(queue)
new_queue = MyQueue(ele)
last_queue.behind = new_queue
def pop(queue):
if queue.behind is not None:
get_queue = queue.behind
queue.behind = queue.behind.behind
return get_queue
else:
print('队列里已经没有元素了')
def print_queue(queue):
print(queue)
if queue.behind is not None:
print_queue(queue.behind)
链表
什么是链表
链表（Linked list）是一种常见的基础数据结构，是一种线性表，但是并不会按线性的顺序存储数据，而是在每一个节点里存到下一个节点的指针(Pointer)。由于不必须按顺序存储，链表在插入的时候可以达到O(1)的复杂度，比另一种线性表顺序表快得多，但是查找一个节点或者访问特定编号的节点则需要O(n)的时间，而顺序表相应的时间复杂度分别是O(logn)和O(1)。
特点
使用链表结构可以克服数组链表需要预先知道数据大小的缺点，链表结构可以充分利用计算机内存空间，实现灵活的内存动态管理。但是链表失去了数组随机读取的优点，同时链表由于增加了结点的指针域，空间开销比较大。
操作
- init():初始化
- insert(): 插入
- trave(): 遍历
- delete(): 删除
- find(): 查找
实现
此处仅实现双向列表
class LinkedList():
def __init__(self, value=None):
self.value = value
# 前驱
self.before = None
# 后继
self.behind = None
def __str__(self):
if self.value is not None:
return str(self.value)
else:
return 'None'
def init():
return LinkedList('HEAD')
def delete(linked_list):
if isinstance(linked_list, LinkedList):
if linked_list.behind is not None:
delete(linked_list.behind)
linked_list.behind = None
linked_list.before = None
linked_list.value = None
def insert(linked_list, index, node):
node = LinkedList(node)
if isinstance(linked_list, LinkedList):
i = 0
while linked_list.behind is not None:
if i == index:
break
i += 1
linked_list = linked_list.behind
if linked_list.behind is not None:
node.behind = linked_list.behind
linked_list.behind.before = node
node.before, linked_list.behind = linked_list, node
def remove(linked_list, index):
if isinstance(linked_list, LinkedList):
i = 0
while linked_list.behind is not None:
if i == index:
break
i += 1
linked_list = linked_list.behind
if linked_list.behind is not None:
linked_list.behind.before = linked_list.before
if linked_list.before is not None:
linked_list.before.behind = linked_list.behind
linked_list.behind = None
linked_list.before = None
linked_list.value = None
def trave(linked_list):
if isinstance(linked_list, LinkedList):
print(linked_list)
if linked_list.behind is not None:
trave(linked_list.behind)
def find(linked_list, index):
if isinstance(linked_list, LinkedList):
i = 0
while linked_list.behind is not None:
if i == index:
return linked_list
i += 1
linked_list = linked_list.behind
else:
if i < index:
raise Exception(404)
return linked_list
以上所有源代码均在Github共享，欢迎提出issue或PR，希望与大家共同进步!
参考资料
