当前位置：首页 > news >正文

玩转python：通俗易懂掌握高级数据结构：collections模块之deque

news 来源：原创 2025/6/8 0:23:00

引言

deque（双端队列）是Python中collections模块提供的一个高效数据结构，支持从两端快速添加和删除元素。它非常适合用于实现队列、栈、滑动窗口等场景。本文将详细介绍deque的关键用法和特性，并通过8个丰富的案例帮助读者掌握其应用。

deque-关键用法及特性

特性/方法	描述
双端操作	支持从队列的头部和尾部高效添加和删除元素。
线程安全	`deque`是线程安全的，适合多线程环境。
固定大小	可以设置最大长度，当队列满时自动丢弃另一端的数据。
高效性能	从两端添加和删除元素的时间复杂度为O(1)。
初始化	使用`deque(iterable, maxlen=None)`创建。
`append(x)`	在队列尾部添加元素。
`appendleft(x)`	在队列头部添加元素。
`pop()`	从队列尾部移除并返回元素。
`popleft()`	从队列头部移除并返回元素。
`rotate(n)`	将队列旋转n步（正数向右，负数向左）。
`maxlen`	返回队列的最大长度（如果未设置，返回`None`）。

1. `deque`的概念

deque（双端队列）是collections模块中的一个高效数据结构，支持从两端快速添加和删除元素。它的主要特点是：

双端操作：支持从头部和尾部高效添加和删除元素。
线程安全：适合多线程环境。
固定大小：可以设置最大长度，当队列满时自动丢弃另一端的数据。
高效性能：从两端添加和删除元素的时间复杂度为O(1)。

2. `deque`的用法

2.1 创建`deque`

from collections import deque

# 创建一个空的双端队列
d = deque()
print(d)  # 输出: deque([])

# 从列表创建双端队列
d = deque([1, 2, 3])
print(d)  # 输出: deque([1, 2, 3])

2.2 添加元素

# 在尾部添加元素
d.append(4)
print(d)  # 输出: deque([1, 2, 3, 4])

# 在头部添加元素
d.appendleft(0)
print(d)  # 输出: deque([0, 1, 2, 3, 4])

2.3 删除元素

# 从尾部移除元素
print(d.pop())  # 输出: 4
print(d)  # 输出: deque([0, 1, 2, 3])

# 从头部移除元素
print(d.popleft())  # 输出: 0
print(d)  # 输出: deque([1, 2, 3])

3. `deque`的常见方法

3.1 `rotate(n)`：旋转队列

# 向右旋转1步
d.rotate(1)
print(d)  # 输出: deque([3, 1, 2])

# 向左旋转1步
d.rotate(-1)
print(d)  # 输出: deque([1, 2, 3])

3.2 `maxlen`：设置最大长度

# 创建一个最大长度为3的双端队列
d = deque([1, 2, 3], maxlen=3)
d.append(4)  # 队列满时，头部元素被丢弃
print(d)  # 输出: deque([2, 3, 4], maxlen=3)

4. `deque`的8个应用案例

案例1：实现队列（FIFO）

# 使用deque实现队列
queue = deque()
queue.append(1)  # 入队
queue.append(2)
print(queue.popleft())  # 出队，输出: 1

案例2：实现栈（LIFO）

# 使用deque实现栈
stack = deque()
stack.append(1)  # 入栈
stack.append(2)
print(stack.pop())  # 出栈，输出: 2

案例3：滑动窗口最大值

# 使用deque实现滑动窗口最大值
def max_sliding_window(nums, k):
    d = deque()
    result = []
    for i, num in enumerate(nums):
        while d and nums[d[-1]] < num:
            d.pop()
        d.append(i)
        if d[0] == i - k:
            d.popleft()
        if i >= k - 1:
            result.append(nums[d[0]])
    return result

nums = [1, 3, -1, -3, 5, 3, 6, 7]
print(max_sliding_window(nums, 3))  # 输出: [3, 3, 5, 5, 6, 7]

案例4：回文检查

# 使用deque检查字符串是否是回文
def is_palindrome(s):
    d = deque(s.lower().replace(" ", ""))
    while len(d) > 1:
        if d.popleft() != d.pop():
            return False
    return True

print(is_palindrome("A man a plan a canal Panama"))  # 输出: True

案例5：任务调度

# 使用deque实现任务调度
tasks = deque(["task1", "task2", "task3"])
while tasks:
    current_task = tasks.popleft()
    print(f"正在执行: {current_task}")

案例6：多线程任务队列

# 使用deque实现多线程任务队列
import threading

def worker(task_queue):
    while task_queue:
        task = task_queue.popleft()
        print(f"处理任务: {task}")

task_queue = deque(["task1", "task2", "task3"])
threads = [threading.Thread(target=worker, args=(task_queue,)) for _ in range(2)]
for t in threads:
    t.start()
for t in threads:
    t.join()

案例7：固定大小的历史记录

# 使用deque实现固定大小的历史记录
history = deque(maxlen=3)
history.append("page1")
history.append("page2")
history.append("page3")
history.append("page4")  # 超出最大长度，丢弃最早的元素
print(history)  # 输出: deque(['page2', 'page3', 'page4'], maxlen=3)

案例8：旋转数组

# 使用deque实现数组旋转
def rotate_array(nums, k):
    d = deque(nums)
    d.rotate(k)
    return list(d)

nums = [1, 2, 3, 4, 5]
print(rotate_array(nums, 2))  # 输出: [4, 5, 1, 2, 3]