Python----数据结构（队列，顺序队列，链式队列，双端队列）

一、队列

1.1、概念 

        队列(Queue)：也是一种基本的数据结构，在队列中的插入和删除都遵循先进先出（First in First out，FIFO）的原则。元素可以在任何时刻从队尾插入，但是只有在队列最前面 的元素才能被取出或者删除。通常将队列中允许插入的一端称为队尾，将允许删除的一 端称为队头。队列不允许在中间部位进行操作！ 

1.2、操作

栈使用两种基本操作：入队(push) 和 出队(pop):

• 入队：将数据放入队尾
• 出队：将队首数据移除

 1.3、特点

1.先入先出(FIFO, First In FirstOut)，后入后出(LILO, Last In Last Out)

2.除头尾节点之外，每个元素有一个前驱，一个后继

1.4、队列常用操作 

方法名	描述	时间复杂度
push( )	元素入队，即将元素添加至队尾	$O(1)$
pop( )	队首元素出队	$O(1)$
top( )	访问队首元素	$O(1)$

python中有现成的队列类queue.Queue 

二、顺序队列

2.1、初始化

    def __init__(self):  
        """初始化一个空队列，使用列表作为存储容器。"""  
        self.list = []  # 使用列表存储队列元素  

2.2、入队

    def put(self, data):  
        """将数据放入队列末尾。  

        Args:  
            data: 要放入队列的数据。  
        """  
        self.list.append(data)  # 使用列表的 append 方法将数据添加到队列末尾  

2.3、出队

    def get(self):  
        """从队列头部取出数据。  

        Returns:  
            从队列中取出的数据。  
        """  
        if self.is_empty():  # 检查队列是否为空  
            print("队列为空，无法取出数据。")  # 打印提示信息  
            return None  # 返回 None，指示无法取出数据  
        return self.list.pop(0)  # 从列表头部弹出数据，遵循 FIFO 原则  

2.4、获取队长度

    def size(self):  
        """返回队列中元素的数量。  

        Returns:  
            队列中元素的数量。  
        """  
        return len(self.list)  # 使用 len 函数返回列表的长度  

2.5、判断是否为空

    def is_empty(self):  
        """检查队列是否为空。  

        Returns:  
            如果队列为空返回 True，否则返回 False。  
        """  
        return self.list == []  # 检查列表是否为空  

2.6、完整代码 

class Queue:  
    def __init__(self):  
        """初始化一个空队列，使用列表作为存储容器。"""  
        self.list = []  # 使用列表存储队列元素  

    def is_empty(self):  
        """检查队列是否为空。  

        Returns:  
            如果队列为空返回 True，否则返回 False。  
        """  
        return self.list == []  # 检查列表是否为空  

    def put(self, data):  
        """将数据放入队列末尾。  

        Args:  
            data: 要放入队列的数据。  
        """  
        self.list.append(data)  # 使用列表的 append 方法将数据添加到队列末尾  

    def get(self):  
        """从队列头部取出数据。  

        Returns:  
            从队列中取出的数据。  
        """  
        if self.is_empty():  # 检查队列是否为空  
            print("队列为空，无法取出数据。")  # 打印提示信息  
            return None  # 返回 None，指示无法取出数据  
        return self.list.pop(0)  # 从列表头部弹出数据，遵循 FIFO 原则  

    def size(self):  
        """返回队列中元素的数量。  

        Returns:  
            队列中元素的数量。  
        """  
        return len(self.list)  # 使用 len 函数返回列表的长度  

if __name__ == '__main__':  
    q = Queue()  # 创建一个队列实例  
    q.put(10)    # 将 10 放入队列  
    q.put(20)    # 将 20 放入队列  
    q.put(30)    # 将 30 放入队列  
    q.put(40)    # 将 40 放入队列  
    print(q.get())  # 从队列中取出并打印第一个元素（10）  
    print(q.size())  # 打印队列当前的大小（3）

三、链队列

3.1、初始化

class Node:  
    def __init__(self, data):  
        """初始化节点，包含数据和指向下一个节点的指针。  

        Args:  
            data: 节点存储的数据。  
        """  
        self.data = data  # 节点数据  
        self.next = None  # 初始时，节点的 next 指向 None  

    def __init__(self):
        """初始化一个空队列，使用头节点作为哨兵。"""
        self.head = Node(0)  # 哨兵节点，方便操作

3.2、入队

    def put(self, data):
        """将数据放入队列末尾。

        Args:
            data: 要放入队列的数据。
        """
        new_node = Node(data)  # 创建新节点
        current = self.head.next  # 从第一个有效节点开始
        if current is None:
            self.head.next = new_node  # 如果队列为空，直接将新节点作为队头
        else:
            # 遍历到队列的末尾
            while current.next is not None:
                current = current.next
            current.next = new_node  # 将新节点添加到队列末尾

3.3、出队

    def get(self):
        """从队列头部取出数据。如果队列为空，打印提示信息。

        Returns:
            从队列中取出的数据。
        """
        if self.is_empty():  # 检查队列是否为空
            print("队列为空，无法取出数据。")  # 打印提示信息
            return None  # 返回 None，指示无法取出数据
        current = self.head.next  # 获取队列头部元素
        self.head.next = current.next  # 移动头指针到下一个节点
        return current.data  # 返回取出的数据

3.4、获取队长度

    def size(self):
        """返回队列中元素的数量。

        Returns:
            队列中元素的数量。
        """
        count = 0
        current = self.head.next  # 从第一个有效节点开始
        while current is not None:
            count += 1
            current = current.next  # 移动到下一个节点
        return count  # 返回计数

3.5、判断是否为空

    def is_empty(self):
        """检查队列是否为空。

        Returns:
            如果队列为空返回 True，否则返回 False。
        """
        return self.head.next is None  # 如果头节点的 next 为 None，队列为空

3.6、完整代码 

class Node:
    def __init__(self, data):
        """初始化节点，包含数据和指向下一个节点的指针。

        Args:
            data: 节点存储的数据。
        """
        self.data = data  # 节点数据
        self.next = None  # 初始时，节点的 next 指向 None

class QueueLink:
    def __init__(self):
        """初始化一个空队列，使用头节点作为哨兵。"""
        self.head = Node(0)  # 哨兵节点，方便操作

    def is_empty(self):
        """检查队列是否为空。

        Returns:
            如果队列为空返回 True，否则返回 False。
        """
        return self.head.next is None  # 如果头节点的 next 为 None，队列为空

    def put(self, data):
        """将数据放入队列末尾。

        Args:
            data: 要放入队列的数据。
        """
        new_node = Node(data)  # 创建新节点
        current = self.head.next  # 从第一个有效节点开始
        if current is None:
            self.head.next = new_node  # 如果队列为空，直接将新节点作为队头
        else:
            # 遍历到队列的末尾
            while current.next is not None:
                current = current.next
            current.next = new_node  # 将新节点添加到队列末尾

    def get(self):
        """从队列头部取出数据。如果队列为空，打印提示信息。

        Returns:
            从队列中取出的数据。
        """
        if self.is_empty():  # 检查队列是否为空
            print("队列为空，无法取出数据。")  # 打印提示信息
            return None  # 返回 None，指示无法取出数据
        current = self.head.next  # 获取队列头部元素
        self.head.next = current.next  # 移动头指针到下一个节点
        return current.data  # 返回取出的数据

    def size(self):
        """返回队列中元素的数量。

        Returns:
            队列中元素的数量。
        """
        count = 0
        current = self.head.next  # 从第一个有效节点开始
        while current is not None:
            count += 1
            current = current.next  # 移动到下一个节点
        return count  # 返回计数

if __name__ == '__main__':
    q = QueueLink()  # 创建一个队列实例
    q.put(10)  # 将 10 放入队列
    q.put(20)  # 将 20 放入队列
    q.put(30)  # 将 30 放入队列
    q.put(40)  # 将 40 放入队列
    print(q.get())  # 从队列中取出并打印第一个元素（10）
    print(q.size())  # 打印队列当前的大小（3）

四、双端队列

4.1、初始化

    def __init__(self):  
        """初始化一个空双端队列，使用列表作为存储容器。"""  
        self.list = []  # 使用列表来存储双端队列的元素  

4.2、队列前端添加元素

    def add_front(self, data):  
        """在队列前端添加元素。  

        Args:  
            data: 要添加到队列前端的数据。  
        """  
        self.list.insert(0, data)  # 使用 insert 方法在列表的开头插入新元素  

4.3、队列后端添加元素

    def add_rear(self, data):  
        """在队列后端添加元素。  

        Args:  
            data: 要添加到队列后端的数据。  
        """  
        self.list.append(data)  # 使用 append 方法在列表的末尾添加新元素  

4.4、队列前端移除元素

    def remove_front(self):  
        """从队列前端移除并返回元素。  

        Returns:  
            被移除的元素，如果队列为空，则会引发异常。  
        """  
        if self.is_empty():  # 检查队列是否为空  
            print("队列为空，无法从前端移除数据。")  
            return None  # 如果为空，返回 None  
        return self.list.pop(0)  # 从列表的开头移除并返回元素  

4.5、队列后端移除元素

    def remove_rear(self):  
        """从队列后端移除并返回元素。  

        Returns:  
            被移除的元素，如果队列为空，则会引发异常。  
        """  
        if self.is_empty():  # 检查队列是否为空  
            print("队列为空，无法从后端移除数据。")  
            return None  # 如果为空，返回 None  
        return self.list.pop()  # 从列表的末尾移除并返回元素  

4.6、判断是否为空

    def is_empty(self):  
        """检查队列是否为空。  

        Returns:  
            如果队列为空返回 True，否则返回 False。  
        """  
        return self.list == []  # 检查列表是否为空  

4.7、获取队长度

    def size(self):  
        """返回队列中元素的数量。  

        Returns:  
            队列中元素的数量。  
        """  
        return len(self.list)  # 返回列表的长度  

4.8、完整代码

class Deque:  
    def __init__(self):  
        """初始化一个空双端队列，使用列表作为存储容器。"""  
        self.list = []  # 使用列表来存储双端队列的元素  

    def add_front(self, data):  
        """在队列前端添加元素。  

        Args:  
            data: 要添加到队列前端的数据。  
        """  
        self.list.insert(0, data)  # 使用 insert 方法在列表的开头插入新元素  

    def add_rear(self, data):  
        """在队列后端添加元素。  

        Args:  
            data: 要添加到队列后端的数据。  
        """  
        self.list.append(data)  # 使用 append 方法在列表的末尾添加新元素  

    def remove_front(self):  
        """从队列前端移除并返回元素。  

        Returns:  
            被移除的元素，如果队列为空，则会引发异常。  
        """  
        if self.is_empty():  # 检查队列是否为空  
            print("队列为空，无法从前端移除数据。")  
            return None  # 如果为空，返回 None  
        return self.list.pop(0)  # 从列表的开头移除并返回元素  

    def remove_rear(self):  
        """从队列后端移除并返回元素。  

        Returns:  
            被移除的元素，如果队列为空，则会引发异常。  
        """  
        if self.is_empty():  # 检查队列是否为空  
            print("队列为空，无法从后端移除数据。")  
            return None  # 如果为空，返回 None  
        return self.list.pop()  # 从列表的末尾移除并返回元素  

    def is_empty(self):  
        """检查队列是否为空。  

        Returns:  
            如果队列为空返回 True，否则返回 False。  
        """  
        return self.list == []  # 检查列表是否为空  

    def size(self):  
        """返回队列中元素的数量。  

        Returns:  
            队列中元素的数量。  
        """  
        return len(self.list)  # 返回列表的长度  

if __name__ == '__main__':  
    dq = Deque()  # 创建一个双端队列实例  
    dq.add_front(10)  # 在队列前端添加 10  
    dq.add_front(20)  # 在队列前端添加 20  
    dq.add_front(30)  # 在队列前端添加 30  

    dq.add_rear(90)  # 在队列后端添加 90  
    dq.add_rear(80)  # 在队列后端添加 80  
    dq.add_rear(70)  # 在队列后端添加 70  

    print(dq.remove_front())  # 从队列前端移除并打印（30）  
    print(dq.remove_rear())    # 从队列后端移除并打印（70）  

    print(dq.size())  # 打印当前队列的大小

五、思维导图