12.数据结构

本章节我们主要结合前面所学的知识点来介绍Python数据结构。

列表

Python中列表是可变的，这是它区别于字符串和元组的最重要的特点，一句话概括即：列表可以修改，而字符串和元组不能。

以下是 Python 中列表的方法：

方法	描述
list.append(x)	把一个元素添加到列表的结尾，相当于 a[len(a):] = [x]。
list.extend(L)	通过添加指定列表的所有元素来扩充列表，相当于 a[len(a):] = L。
list.insert(i, x)	在指定位置插入一个元素。第一个参数是准备插入到其前面的那个元素的索引，例如 a.insert(0, x) 会插入到整个列表之前，而 a.insert(len(a), x) 相当于 a.append(x) 。
list.remove(x)	删除列表中值为 x 的第一个元素。如果没有这样的元素，就会返回一个错误。
list.pop([i])	从列表的指定位置移除元素，并将其返回。如果没有指定索引，a.pop()返回最后一个元素。元素随即从列表中被移除。（方法中 i 两边的方括号表示这个参数是可选的，而不是要求你输入一对方括号，你会经常在 Python 库参考手册中遇到这样的标记。）
list.clear()	移除列表中的所有项，等于del a[:]。
list.index(x)	返回列表中第一个值为 x 的元素的索引。如果没有匹配的元素就会返回一个错误。
list.count(x)	返回 x 在列表中出现的次数。
list.sort()	对列表中的元素进行排序。
list.reverse()	倒排列表中的元素。
list.copy()	返回列表的浅复制，等于a[:]。

将列表当做栈使用

在 Python 中，可以使用列表（list）来实现栈的功能。栈是一种后进先出（LIFO, Last-In-First-Out）数据结构，意味着最后添加的元素最先被移除。列表提供了一些方法，使其非常适合用于栈操作，特别是 append() 和 pop() 方法。

用 append() 方法可以把一个元素添加到栈顶，用不指定索引的 pop() 方法可以把一个元素从栈顶释放出来。

栈操作

• 压入（Push）: 将一个元素添加到栈的顶端。
• 弹出（Pop）: 移除并返回栈顶元素。
• 查看栈顶元素（Peek/Top）: 返回栈顶元素而不移除它。
• 检查是否为空（IsEmpty）: 检查栈是否为空。
• 获取栈的大小（Size）: 获取栈中元素的数量。

以下是如何在 Python 中使用列表实现这些操作的详细说明：

class Stack:
    def __init__(self):
        self.items = []
    # 压栈
    def push(self, item):
        self.items.append(item)
    #判断是否为空
    def is_empty(self):
        return len(self.items) == 0
    #出栈并返回相应的值
    def pop(self):
        if not self.is_empty():
            return self.items.pop()
        else:
            return IndexError("pop from empty stack")
    #返回栈顶元素而不出栈
    def peek(self):
        if not self.is_empty():
            return self.items[-1]
        else:
            return IndexError("peek from empty stack")
    #获取栈大小
    def size(self):
        return len(self.items)

stack = Stack()
stack.push(1)
stack.push(2)
stack.push(3)
print("栈顶元素:", stack.peek())  # 输出: 栈顶元素: 3
print("栈大小:", stack.size())    # 输出: 栈大小: 3

print("弹出元素:", stack.pop())  # 输出: 弹出元素: 3
print("栈是否为空:", stack.is_empty())  # 输出: 栈是否为空: False
print("栈大小:", stack.size())    # 输出: 栈大小: 2
print(stack.items)#[1, 2]

队列

在 Python 中，列表（list）可以用作队列（queue），但由于列表的特点，直接使用列表来实现队列并不是最优的选择。

队列是一种先进先出（FIFO, First-In-First-Out）的数据结构，意味着最早添加的元素最先被移除。

使用列表时，如果频繁地在列表的开头插入或删除元素，性能会受到影响，因为这些操作的时间复杂度是 O(n)。为了解决这个问题，Python 提供了 collections.deque，它是双端队列，可以在两端高效地添加和删除元素。

使用 collections.deque 实现队列

collections.deque 是 Python 标准库的一部分，非常适合用于实现队列。

以下是使用 deque 实现队列的示例：

# 使用 collections.deque 实现队列
from collections import deque
# 创建一个空队列
queqe = deque()
# 向队尾添加元素
queqe.append(1)
queqe.append(2)
queqe.append(3)
queqe.append(4)
queqe.append(5)

print("队列：", queqe)#deque([1, 2, 3, 4, 5])
# 从队首移除元素
popleft = queqe.popleft()
print("被移除的元素",popleft)#1
print("队列内容",queqe)#队列内容 deque([2, 3, 4, 5])
# 从队尾移除元素
queqe_pop = queqe.pop()
print("被移除的队尾元素",queqe_pop)#被移除的队尾元素 5
# 查看队首元素
print("队首元素",queqe[0])#队首元素 2
#检查队列是否为空
print("队列是否为空：",len(queqe)==0)#队列是否为空： 3
# 获取队列大小
print("队列大小：",len(queqe))#队列大小： 3

列表推导式

列表推导式提供了从序列创建列表的简单途径。通常应用程序将一些操作应用于某个序列的每个元素，用其获得的结果作为生成新列表的元素，或者根据确定的判定条件创建子序列。

每个列表推导式都在 for 之后跟一个表达式，然后有零到多个 for 或 if 子句。返回结果是一个根据表达从其后的 for 和 if 上下文环境中生成出来的列表、元组或字典。

# 推导式
l = [1, 2, 3, 4, 5]
newl = [x ** 2 for x in l]  # 原列表的值的平方的列表
print(newl)  # [1, 4, 9, 16, 25]
newl2 = [[x, x ** 2] for x in l]
print(newl2)  # [[1, 1], [2, 4], [3, 9], [4, 16], [5, 25]]
# 带条件过滤的推导式
ifl = [x for x in l if x % 2 == 0]
print(ifl)  # [2, 4]
# 去除源数据的空白字符（包含换行符制表符等）
strList = ['   王老吉', "冰红茶    ", "   矿泉水  "]
strip_for_x_in_str_list_ = [x.strip() for x in strList]
print(strip_for_x_in_str_list_)  # ['王老吉', '冰红茶', '矿泉水']
# 嵌套循环，进行两列表运算
numList1 = [1, 2, 3, 4, 5]
numList2 = [1, 2, 3, 4, 5]
res = [x * y for x in numList1 for y in numList2]
print(res)  # [1, 2, 3, 4, 5, 2, 4, 6, 8, 10, 3, 6, 9, 12, 15, 4, 8, 12, 16, 20, 5, 10, 15, 20, 25]
# 配合使用复杂表达式
num = [str(round(10 / 3, i)) for i in range(6)]
print(num)#['3.0', '3.3', '3.33', '3.333', '3.3333', '3.33333']

嵌套列表解析

# 嵌套列表解析

biglList = [
    [1, 2, 3, 4],
    [5, 6, 7, 8],
    ["a", "b", "c", "d"]
]
# 列表推导式
newlist = [[row[i] for row in biglList] for i in range(4)]
print(newlist)

# 一层for循环实现
list_=[]
for i in range(4):
    list_.append([row[i] for row in biglList])
print(list_)
# 两层for循环实现

listnew=[]
for i in range(4):
    smallList=[]
    for row in biglList:
        smallList.append(row[i])
    listnew.append(smallList)
print(listnew)

del 语句

使用 del 语句可以从一个列表中根据索引来删除一个元素，而不是值来删除元素。这与使用 pop() 返回一个值不同。可以用 del 语句从列表中删除一个切割，或清空整个列表（我们以前介绍的方法是给该切割赋一个空列表）。例如：

testList = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
testList.pop(-1)  # 删除最后一个元素
print(testList)  # [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
testList.pop()  # 删除最后一个元素
print(testList)  # [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
del testList[0]  # 删除第一个元素
print(testList)  # [2, 3, 4, 5, 6, 7]
del testList[2:4]
print(testList)  # [2, 3, 6, 7]
del testList[:]
print(testList)  # []
del testList#删除列表变量
print(testList) #NameError: name 'testList' is not defined

元组由若干逗号分隔的值组成，例如：

>>> t = 12345, 54321, 'hello!'
>>> t[0]
12345
>>> t
(12345, 54321, 'hello!')
>>> # Tuples may be nested:
... u = t, (1, 2, 3, 4, 5)
>>> u
((12345, 54321, 'hello!'), (1, 2, 3, 4, 5))

如你所见，元组在输出时总是有括号的，以便于正确表达嵌套结构。在输入时可能有或没有括号， 不过括号通常是必须的（如果元组是更大的表达式的一部分）。

集合

集合是一个无序不重复元素的集。基本功能包括关系测试和消除重复元素。

可以用大括号({})创建集合。注意：如果要创建一个空集合，你必须用 set() 而不是 {} ；后者创建一个空的字典，下一节我们会介绍这个数据结构。

以下是一个简单的演示：

>>> basket = {'apple', 'orange', 'apple', 'pear', 'orange', 'banana'}
>>> print(basket)                      # 删除重复的
{'orange', 'banana', 'pear', 'apple'}
>>> 'orange' in basket                 # 检测成员
True
>>> 'crabgrass' in basket
False

>>> # 以下演示了两个集合的操作
...
>>> a = set('abracadabra')
>>> b = set('alacazam')
>>> a                                  # a 中唯一的字母
{'a', 'r', 'b', 'c', 'd'}
>>> a - b                              # 在 a 中的字母，但不在 b 中
{'r', 'd', 'b'}
>>> a | b                              # 在 a 或 b 中的字母
{'a', 'c', 'r', 'd', 'b', 'm', 'z', 'l'}
>>> a & b                              # 在 a 和 b 中都有的字母
{'a', 'c'}
>>> a ^ b                              # 在 a 或 b 中的字母，但不同时在 a 和 b 中
{'r', 'd', 'b', 'm', 'z', 'l'}

集合也支持推导式：

>>> a = {x for x in 'abracadabra' if x not in 'abc'}
>>> a
{'r', 'd'}

字典

另一个非常有用的 Python 内建数据类型是字典。

序列是以连续的整数为索引，与此不同的是，字典以关键字为索引，关键字可以是任意不可变类型，通常用字符串或数值。

理解字典的最佳方式是把它看做无序的键=>值对集合。在同一个字典之内，关键字必须是互不相同。

字典创建方式：

# 字典
dict1={"name":"jack","age":18}
dict2=dict([("name","jack"),("age",18)])
dict3=dict(name="jack",age=18)
print(dict1)#{'name': 'jack', 'age': 18}
print(dict2)#{'name': 'jack', 'age': 18}
print(dict3)#{'name': 'jack', 'age': 18}

字典常见操作：

keylist3 = list(dict3.keys())
print(keylist3)#['name', 'age']
del dict3["name"]
print(dict3)#{'age': 18}
print("name" in dict3)#False