Python高级数据结构与算法实例分析

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一、简介

我们将从以下几个方面来展开本文的内容：

栈（Stack）

队列（Queue）

链表（Linked List）

堆（Heap）

排序算法（Sorting Algorithms）

查找算法（Searching Algorithms）

二、栈（Stack）

栈是一种后进先出（LIFO）的数据结构，只允许在栈顶进行插入和删除操作。在Python中，我们可以使用列表（list）实现栈。

class Stack:    def __init__(self):        self.items = []     def push(self, item):        self.items.append(item)     def pop(self):        if not self.is_empty():            return self.items.pop()     def peek(self):        if not self.is_empty():            return self.items[-1]     def is_empty(self):        return len(self.items) == 0     def size(self):        return len(self.items)

三、队列（Queue）

队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，只允许在队尾进行插入操作，而在队头进行删除操作。在Python中，我们可以使用collections模块中的deque类实现队列。

from collections import deque class Queue:    def __init__(self):        self.items = deque()     def enqueue(self, item):        self.items.append(item)     def dequeue(self):        if not self.is_empty():            return self.items.popleft()     def is_empty(self):        return len(self.items) == 0     def size(self):        return len(self.items)            previous.next = current.next    else:        raise ValueError("Data not found in the list")

四、堆（Heap）

堆是一种特殊的完全二叉树，它的每个节点都大于等于（最大堆）或小于等于（最小堆）其子节点。在Python中，我们可以使用heapq库实现堆。

import heapq class MaxHeap:    def __init__(self):        self.items = []     def push(self, item):        heapq.heappush(self.items, -item)     def pop(self):        return -heapq.heappop(self.items)     def peek(self):        return -self.items[0]     def is_empty(self):        return len(self.items) == 0     def size(self):        return len(self.items)

五、排序算法（Sorting Algorithms）

1. 冒泡排序（Bubble Sort）

冒泡排序是一种简单的排序算法，通过重复遍历列表，比较相邻元素并交换不正确的顺序。

 def bubble_sort(arr):    n = len(arr)    for i in range(n):        for j in range(0, n - i - 1):            if arr[j] > arr[j + 1]:                arr[j], arr[j + 1] = arr[j + 1], arr[j]

2. 选择排序（Selection Sort）

选择排序是一种简单的排序算法，每次遍历列表找到最小（或最大）的元素，将其放到正确的位置。

def selection_sort(arr):    n = len(arr)    for i in range(n):        min_index = i        for j in range(i + 1, n):            if arr[j] < arr[min_index]:                min_index = j        arr[i], arr[min_index] = arr[min_index], arr[i]

3. 插入排序（Insertion Sort）

插入排序是一种简单的排序算法，将未排序的元素逐个插入已排序的序列中。

def insertion_sort(arr):    n = len(arr)    for i in range(1, n):        key = arr[i]        j = i - 1        while j >= 0 and arr[j] > key:            arr[j + 1] = arr[j]            j -= 1        arr[j + 1] = key

六、查找算法（Searching Algorithms）

1. 顺序查找（Sequential Search）

顺序查找是一种简单的查找算法，通过遍历列表，逐个比较元素来查找目标值。

def sequential_search(arr, target):    for i in range(len(arr)):        if arr[i] == target:            return i    return -1

2. 二分查找（Binary Search）

二分查找是一种高效的查找算法，要求列表已排序。每次查找都将范围缩小一半，直到找到目标值。

def binary_search(arr, target):    low, high = 0, len(arr) - 1    while low <= high:        mid = (low + high) // 2        if arr[mid] == target:            return mid    elif arr[mid] < target:        low = mid + 1    else:        high = mid - 1return -1

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