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Python算法实战系列:栈

2017-05-27 leiting (4120阅读)

标签 Python

栈(stack)又称之为堆栈是一个特殊的有序表,其插入和删除操作都在栈顶进行操作,并且按照先进后出,后进先出的规则进行运作。

如下图所示

例如枪的弹匣,第一颗放进弹匣的子弹反而在发射出去的时候是最后一个,而最后放入弹匣的一颗子弹在打出去的时候是第一颗发射出去的。

栈的接口

如果你创建了一个栈,那么那么应该具有以下接口来进行对栈的操作

知道栈需要上述的接口后,那么在Python中,列表就类似是一个栈,提供接口如下:

Python中的栈接口使用实例:

# 创建一个栈 
 
In [1]: s = [] 
 
# 往栈内添加一个元素 
 
In [2]: s.append(1) 
 
In [3]: s 
 
Out[3]: [1] 
 
# 删除栈内的一个元素 
 
In [4]: s.pop() 
 
Out[4]: 1 
 
In [5]: s 
 
Out[5]: [] 
 
# 判断栈是否为空 
 
In [6]: not s 
 
Out[6]: True 
 
In [7]: s.append(1) 
 
In [8]: not s 
 
Out[8]: False 
 
# 获取栈内元素的数量 
 
In [9]: len(s) 
 
Out[9]: 1 
 
In [10]: s.append(2) 
 
In [11]: s.append(3) 
 
# 取栈顶的元素 
 
In [12]: s[-1] 
 
Out[12]: 3

一大波实例

在了解栈的基本概念之后,让我们再来看几个实例,以便于理解栈。

括号匹配

题目

假如表达式中允许包含三中括号()、[]、{},其嵌套顺序是任意的,例如:

正确的格式

{()[()]},[{({})}]

错误的格式

[(]),[()),(()}

编写一个函数,判断一个表达式字符串,括号匹配是否正确

思路

  1. 创建一个空栈,用来存储尚未找到的左括号;

  2. 便利字符串,遇到左括号则压栈,遇到右括号则出栈一个左括号进行匹配;

  3. 在第二步骤过程中,如果空栈情况下遇到右括号,说明缺少左括号,不匹配;

  4. 在第二步骤遍历结束时,栈不为空,说明缺少右括号,不匹配;

解决代码

建议在pycharm中打断点,以便于更好的理解

#!/use/bin/env python 
 
# _*_ coding:utf-8 _*_ 
 
LEFT = {'(', '[', '{'}  # 左括号 
 
RIGHT = {')', ']', '}'}  # 右括号 
 
def match(expr): 
 
    """ 
 
    :param expr:  传过来的字符串 
 
    :return:  返回是否是正确的 
 
    """ 
 
    stack = []  # 创建一个栈 
 
    for brackets in expr:  # 迭代传过来的所有字符串 
 
        if brackets in LEFT:  # 如果当前字符在左括号内 
 
            stack.append(brackets)  # 把当前左括号入栈 
 
        elif brackets in RIGHT:  # 如果是右括号 
 
            if not stack or not 1 <= ord(brackets) - ord(stack[-1]) <= 2: 
 
                # 如果当前栈为空,()] 
 
                # 如果右括号减去左括号的值不是小于等于2大于等于1 
 
                return False  # 返回False 
 
            stack.pop()  # 删除左括号 
 
    return not stack  # 如果栈内没有值则返回True,否则返回False 
 
result = match('[(){()}]') 
 
print(result)

迷宫问题

题目

用一个二维数组表示一个简单的迷宫,用0表示通路,用1表示阻断,老鼠在每个点上可以移动相邻的东南西北四个点,设计一个算法,模拟老鼠走迷宫,找到从入口到出口的一条路径。

如图所示

出去的正确线路如图中的红线所示

思路

  1. 用一个栈来记录老鼠从入口到出口的路径

  2. 走到某点后,将该点左边压栈,并把该点值置为1,表示走过了;

  3. 从临近的四个点中可到达的点中任意选取一个,走到该点;

  4. 如果在到达某点后临近的4个点都不走,说明已经走入死胡同,此时退栈,退回一步尝试其他点;

  5. 反复执行第二、三、四步骤直到找到出口;

解决代码

#!/use/bin/env python 
 
# _*_ coding:utf-8 _*_ 
 
def initMaze(): 
 
    """ 
 
    :return: 初始化迷宫 
 
    """ 
 
    maze = [[0] * 7 for _ in range(5 + 2)]  # 用列表解析创建一个7*7的二维数组,为了确保迷宫四周都是墙 
 
    walls = [  # 记录了墙的位置 
 
        (1, 3), 
 
        (2, 1), (2, 5), 
 
        (3, 3), (3, 4), 
 
        (4, 2),  # (4, 3),  # 如果把(4, 3)点也设置为墙,那么整个迷宫是走不出去的,所以会返回一个空列表 
 
        (5, 4) 
 
    ] 
 
    for i in range(7):  # 把迷宫的四周设置成墙 
 
        maze[i][0] = maze[i][-1] = 1 
 
        maze[0][i] = maze[-1][i] = 1 
 
    for i, j in walls:  # 把所有墙的点设置为1 
 
        maze[i][j] = 1 
 
    return maze 
 
""" 
 
[1, 1, 1, 1, 1, 1, 1] 
 
[1, 0, 0, 1, 0, 0, 1] 
 
[1, 1, 0, 0, 0, 1, 1] 
 
[1, 0, 0, 1, 1, 0, 1] 
 
[1, 0, 1, 0, 0, 0, 1] 
 
[1, 0, 0, 0, 1, 0, 1] 
 
[1, 1, 1, 1, 1, 1, 1] 
 
""" 
 
def path(maze, start, end): 
 
    """ 
 
    :param maze: 迷宫 
 
    :param start: 起始点 
 
    :param end: 结束点 
 
    :return: 行走的每个点 
 
    """ 
 
    i, j = start  # 分解起始点的坐标 
 
    ei, ej = end  # 分解结束点的左边 
 
    stack = [(i, j)]  # 创建一个栈,并让老鼠站到起始点的位置 
 
    maze[i][j] = 1  # 走过的路置为1 
 
    while stack:  # 栈不为空的时候继续走,否则退出 
 
        i, j = stack[-1]  # 获取当前老鼠所站的位置点 
 
        if (i, j) == (ei, ej): break  # 如果老鼠找到了出口 
 
        for di, dj in [(0, -1), (0, 1), (-1, 0), (1, 0)]:  # 左右上下 
 
            if maze[i + di][j + dj] == 0:  # 如果当前点可走 
 
                maze[i + di][j + dj] = 1  # 把当前点置为1 
 
                stack.append((i + di, j + dj))  # 把当前的位置添加到栈里面 
 
                break 
 
        else:  # 如果所有的点都不可走 
 
            stack.pop()  # 退回上一步 
 
    return stack  # 如果迷宫不能走则返回空栈 
 
Maze = initMaze()  # 初始化迷宫 
 
result = path(maze=Maze, start=(1, 1), end=(5, 5))  # 老鼠开始走迷宫 
 
print(result) 
 
# [(1, 1), (1, 2), (2, 2), (3, 2), (3, 1), (4, 1), (5, 1), (5, 2), (5, 3), (4, 3), (4, 4), (4, 5), (5, 5)]

后缀表达式求值

题目

计算一个表达式时,编译器通常使用后缀表达式,这种表达式不需要括号:  

编写程序实现后缀表达式求值函数。

思路

  1. 建立一个栈来存储待计算的操作数;

  2. 遍历字符串,遇到操作数则压入栈中,遇到操作符号则出栈操作数(n次),进行相应的计算,计算结果是新的操作数压回栈中,等待计算

  3. 按上述过程,遍历完整个表达式,栈中只剩下最终结果;

解决代码

#!/use/bin/env python 
 
# _*_ coding:utf-8 _*_ 
 
operators = {  # 运算符操作表 
 
    '+': lambda op1, op2: op1 + op2, 
 
    '-': lambda op1, op2: op1 - op2, 
 
    '*': lambda op1, op2: op1 * op2, 
 
    '/': lambda op1, op2: op1 / op2, 
 
} 
 
def evalPostfix(e): 
 
    """ 
 
    :param e: 后缀表达式 
 
    :return: 正常情况下栈内的第一个元素就是计算好之后的值 
 
    """ 
 
    tokens = e.split()  # 把传过来的后缀表达式切分成列表 
 
    stack = [] 
 
    for token in tokens:  # 迭代列表中的元素 
 
        if token.isdigit():  # 如果当前元素是数字 
 
            stack.append(int(token))  # 就追加到栈里边 
 
        elif token in operators.keys():  # 如果当前元素是操作符 
 
            f = operators[token]  # 获取运算符操作表中对应的lambda表达式 
 
            op2 = stack.pop()  # 根据先进后出的原则,先让第二个元素出栈 
 
            op1 = stack.pop()  # 在让第一个元素出栈 
 
            stack.append(f(op1, op2))  # 把计算的结果在放入到栈内 
 
    return stack.pop()  # 返回栈内的第一个元素 
 
result = evalPostfix('2 3 4 * +') 
 
print(result) 
 
# 14

背包问题

题目

有一个背包能装10kg的物品,现在有6件物品分别为:

编写找出所有能将背包装满的解,如物品1+物品5。

解决代码

#!/use/bin/env python 
 
# _*_ coding:utf-8 _*_ 
 
def knapsack(t, w): 
 
    """ 
 
    :param t: 背包总容量 
 
    :param w: 物品重量列表 
 
    :return: 
 
    """ 
 
    n = len(w)  # 可选的物品数量 
 
    stack = []  # 创建一个栈 
 
    k = 0  # 当前所选择的物品游标 
 
    while stack or k < n:  # 栈不为空或者k<n 
 
        while t > 0 and k < n:  # 还有剩余空间并且有物品可装 
 
            if t >= w[k]:  # 剩余空间大于等于当前物品重量 
 
                stack.append(k)  # 把物品装备背包 
 
                t -= w[k]  # 背包空间减少 
 
            k += 1  # 继续向后找 
 
        if t == 0:  # 找到了解 
 
            print(stack) 
 
        # 回退过程 
 
        k = stack.pop()  # 把最后一个物品拿出来 
 
        t += w[k]  # 背包总容量加上w[k] 
 
        k += 1  # 装入下一个物品 
 
knapsack(10, [1, 8, 4, 3, 5, 2]) 
 
""" 
 
[0, 2, 3, 5] 
 
[0, 2, 4] 
 
[1, 5] 
 
[3, 4, 5] 
 
"""


http://developer.51cto.com/art/201705/540945.htm


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