用Python实现的数据结构与算法：双端队列

一、概述

双端队列（deque，全名double-ended queue）是一种具有队列和栈性质的线性数据结构。双端队列也拥有两端：队首（front）、队尾（rear），但与队列不同的是，插入操作在两端（队首和队尾）都可以进行，删除操作也一样。

二、ADT

双端队列ADT（抽象数据类型）一般提供以下接口：

• Deque() 创建双端队列
• addFront(item) 向队首插入项
• addRear(item) 向队尾插入项
• removeFront() 返回队首的项，并从双端队列中删除该项
• removeRear() 返回队尾的项，并从双端队列中删除该项
• empty() 判断双端队列是否为空
• size() 返回双端队列中项的个数

双端队列操作的示意图如下：

三、Python实现

在Python中，有两种方式可以实现上述的双端队列ADT：使用内建类型list、使用标准库collections.deque（其实collections.deque就是Python中双端队列的标准实现）。

两种方式的不同主要体现在性能上（具体参考 collections.deque | TimeComplexity）：

操作|实现方式   list    collections.deque
-----------------------------------------
addFront        O(n)    O(1)
-----------------------------------------
addRear         O(1)    O(1)
-----------------------------------------
removeFront     O(n)    O(1)
-----------------------------------------
removeRear      O(1)    O(1)

1、使用内建类型list

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

class Deque:
    def __init__(self):
        self.items = []

    def addFront(self, item):
        self.items.insert(0, item)

    def addRear(self, item):
        self.items.append(item)

    def removeFront(self):
        return self.items.pop(0)

    def removeRear(self):
        return self.items.pop()

    def empty(self):
        return self.size() == 0

    def size(self):
        return len(self.items)

2、使用标准库collections.deque

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

from collections import deque

class Deque:
    def __init__(self):
        self.items = deque()

    def addFront(self, item):
        self.items.appendleft(item)

    def addRear(self, item):
        self.items.append(item)

    def removeFront(self):
        return self.items.popleft()

    def removeRear(self):
        return self.items.pop()

    def empty(self):
        return self.size() == 0

    def size(self):
        return len(self.items)

四、应用

回文（palindrome）是正读反读都一样的单词或句子，是一种修辞方式和文字游戏。

英文例子：

• madam
• able was i ere i saw elba

中文例子：

• 花非花
• 人人为我、我为人人

如果要实现一个 回文验证算法（验证一个给定的字符串是否为回文），使用Deque类将非常容易：将字符串存储到双端队列，同时取出首尾字符并比较是否相等，只要有一对字符不等，则该字符串不是回文；若全部相等，则该字符串为回文。具体代码如下：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

def palchecker(aString):
    chardeque = Deque()

    for ch in aString:
        chardeque.addRear(ch)

    while chardeque.size() > 1:
        first = chardeque.removeFront()
        last = chardeque.removeRear()
        if first != last:
            return False

    return True

if __name__ == '__main__':
    str1 = 'able was i ere i saw elba'
    print('"%s" is%s palindrome' % (str1, '' if palchecker(str1) else ' not'))

    str2 = u'人人为我、我为人人'
    print(u'"%s"%s是回文' % (str2, u'' if palchecker(str2) else u'不'))

    str3 = u"What's wrong 怎么啦"
    print(u'"%s"%s是回文' % (str3, u'' if palchecker(str3) else u'不'))

运行结果：

$ python palchecker.py
"able was i ere i saw elba" is palindrome
"人人为我、我为人人"是回文
"What's wrong 怎么啦"不是回文