Python基础：数组、链表、队列与栈的底层实现解析
发布时间：2026-10-13 |
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本文深入解析Python中数组、链表、队列及栈的底层实现原理。通过自定义类模拟数组行为，详细阐述单向链表、双向循环链表的节点构建与指针操作。重点讲解基于数组的环形队列与基于双向链表的双向队列、栈的实现逻辑，涵盖入队、出队、压栈、弹栈等核心操作，提供完整代码示例与使用场景说明。
数据结构概述
引言
什么是数据结构？
- 数据结构被定义为数据元素的集合以及这些元素之间相互关系的总和。
- 通俗而言，数据结构关注的是数据在计算机中如何组织与存储。
- 常见的列表、集合和字典均属于基础数据结构类型。
- 正如N.Wirth所言：“程序=数据结构+算法”，二者共同构成软件核心。
依据逻辑结构，数据结构主要划分为线性结构、树结构和图结构三大类。
- 线性结构中，数据元素之间呈现一对一的对应关系。
- 树结构体现为元素间的一对多关系。
- 图结构则表现为元素间的多对多复杂关系。
数组的Python实现
数组
Python原生并未提供严格意义上的数组类型，而是使用列表作为基础数据结构。
实现
class Array(object):
def __init__(self, size=32):
"""
:param size: 长度
"""
self._size = size
self._items = [None] * size
# 在执行array[key]时执行
def __getitem__(self, index):
return self._items[index]
# 在执行array[key] = value 时执行
def __setitem__(self, index, value):
self._items[index] = value
# 在执行len(array) 时执行
def __len__(self):
return self._size
# 清空数组
def clear(self, value=None):
for i in range(len(self._items)):
self._items[i] = value
# 在遍历时执行
def __iter__(self):
for item in self._items:
yield item使用
a = Array(4)
a[0] = 1
print(a[0]) # 1
a.clear()
print(a[0]) # None
a[0] = 1
a[1] = 2
a[3] = 4
for i in a:
print(i) # 1, 2, None, 4链表及其变体
链表
链表由若干节点组成，每个节点包含数据域value和指向下一节点的指针next。
通过节点间的指针链接，最终形成一条完整的链表结构。
实现
class Node(object):
def __init__(self, value=None, next=None):
self.value, self.next = value, next
class LinkedList(object):
def __init__(self, size=None):
"""
:param size: int or None, 如果None，则该链表可以无限扩充
"""
self.size = size
# 定义一个根节点
self.root = Node()
# 尾节点始终指向最后一个节点
self.tail_node = None
self.length = 0
def __len__(self):
return self.length
def append(self, value):
# size 不为 None, 且长度大于等于size则链表已满
if self.size and len(self) >= self.size:
raise Exception("LinkedList is full")
# 构建节点
node = Node(value)
tail_node = self.tail_node
# 判断尾节点是否为空
if tail_node is None:
# 还没有 append 过，length = 0， 追加到 root 后
self.root.next = node
else:
# 否则追加到最后一个节点的后边，并更新最后一个节点是 append 的节点
tail_node.next = node
# 把尾节点指向node
self.tail_node = node
# 长度加一
self.length += 1
# 往左边添加
def append_left(self, value):
if self.size and len(self) >= self.size:
raise Exception("LinkedList is full")
# 构建节点
node = Node(value)
# 链表为空，则直接添加设置
if self.tail_node is None:
self.tail_node = node
# 设置头节点为根节点的下一个节点
head_node = self.root.next
# 把根节点的下一个节点指向node
self.root.next = node
# 把node的下一个节点指向原头节点
node.next = head_node
# 长度加一
self.length += 1
# 遍历节点
def iter_node(self):
# 第一个节点
current_node = self.root.next
# 不是尾节点就一直遍历
while current_node is not self.tail_node:
yield current_node
# 移动到下一个节点
current_node = current_node.next
# 尾节点
if current_node is not None:
yield current_node
# 实现遍历方法
def __iter__(self):
for node in self.iter_node():
yield node.value
# 删除指定元素
def remove(self, value):
# 删除一个值为value的节点，只要使该节点的前一个节点的next指向该节点的下一个
# 定义上一个节点
perv_node = self.root
# 遍历链表
for current_node in self.iter_node():
if current_node.value == value:
# 把上一个节点的next指向当前节点的下一个节点
perv_node.next = current_node.next
# 判断当前节点是否是尾节点
if current_node is self.tail_node:
# 更新尾节点 tail_node
# 如果第一个节点就找到了，把尾节点设为空
if perv_node is self.root:
self.tail_node = None
else:
self.tail_node = perv_node
# 删除节点，长度减一，删除成功返回1
del current_node
self.length -= 1
return 1
else:
perv_node = current_node
# 没找到返回-1
return -1
# 查找元素，找到返回下标，没找到返回-1
def find(self, value):
index = 0
# 遍历链表，找到返回index,没找到返回-1
for node in self.iter_node():
if node.value == value:
return index
index += 1
return -1
# 删除第一个节点
def popleft(self):
# 链表为空
if self.root.next is None:
raise Exception("pop from empty LinkedList")
# 找到第一个节点
head_node = self.root.next
# 把根节点的下一个节点，指向第一个节点的下一个节点
self.root.next = head_node.next
# 获取删除节点的value
value = head_node.value
# 如果第一个节点是尾节点, 则把尾节点设为None
if head_node is self.tail_node:
self.tail_node = None
# 长度减一，删除节点，返回该节点的值
self.length -= 1
del head_node
return value
# 清空链表
def clear(self):
for node in self.iter_node():
del node
self.root.next = None
self.tail_node = None
self.length = 0
# 反转链表
def reverse(self):
# 第一个节点为当前节点，并把尾节点指向当前节点
current_node = self.root.next
self.tail_node = current_node
perv_node = None
while current_node:
# 下一个节点
next_node = current_node.next
# 当前节点的下一个节点指向perv_node
current_node.next = perv_node
# 当前节点的下一个节点为空，则把根节点的next指向当前节点
if next_node is None:
self.root.next = current_node
# 把当前节点赋值给perv_node
perv_node = current_node
# 把下一个节点赋值为当前节点
current_node = next_node使用
ll = LinkedList()
ll.append(0)
ll.append(1)
ll.append(2)
ll.append(3)
print(len(ll)) # 4
print(ll.find(2)) # 2
print(ll.find(-1)) # -1
ll.clear()
print(len(ll)) # 0
print(list(ll)) # []循环链表
双向链表的每个节点包含两个指针，分别指向前驱节点和后继节点。
循环链表实现
class Node(object):
def __init__(self, value=None, prev=None, next=None):
self.value = value
self.prev = prev
self.next = next
class CircularDoubleLinkedList(object):
"""
双向循环链表
"""
def __init__(self, maxsize=None):
self.maxsize = maxsize
node = Node()
node.prev = node
node.next = node
self.root = node
self.length = 0
def __len__(self):
return self.length
def head_node(self):
return self.root.next
def tail_node(self):
return self.root.prev
# 遍历
def iter_node(self):
if self.root.next is self.root:
return
current_node = self.root.next
while current_node.next is not self.root:
yield current_node
current_node = current_node.next
yield current_node
def __iter__(self):
for node in self.iter_node():
yield node.value
# 反序遍历
def iter_node_reverse(self):
if self.root.prev is self.root:
return
current_node = self.root.prev
while current_node.prev is not self.root:
yield current_node
current_node = current_node.prev
yield current_node
def append(self, value):
if self.maxsize is not None and len(self) >= self.maxsize:
raise Exception("LinkedList is full")
node = Node(value)
tail_node = self.tail_node() or self.root
tail_node.next = node
node.prev = tail_node
node.next = self.root
self.root.prev = node
self.length += 1
def append_left(self, value):
if self.maxsize is not None and len(self) >= self.maxsize:
raise Exception("LinkedList is full")
node = Node(value)
if self.root.next is self.root:
self.root.next = node
node.prev = self.root
node.next = self.root
self.root.prev = node
else:
node.next = self.root.next
self.root.next.prev = node
self.root.next = node
node.prev = self.root
self.length += 1
def remove(self, node):
if node is self.root:
return
node.next.prev = node.prev
node.prev.next = node.next
self.length -= 1
return node循环链表的使用
dll = CircularDoubleLinkedList()
dll.append(0)
dll.append(1)
dll.append(2)
assert list(dll) == [0, 1, 2]
print(list(dll)) # [0, 1, 2]
print([node.value for node in dll.iter_node()]) # [0, 1, 2]
print([node.value for node in dll.iter_node_reverse()]) # [2, 1, 0]
headnode = dll.head_node()
print(headnode.value) # 0
dll.remove(headnode)
print(len(dll)) # 2队列与双向队列实现
队列
队列(Queue)是一种受限的数据集合，仅允许在一端插入、另一端删除。
允许插入的一端称为队尾(rear)，该操作称为入队。
允许删除的一端称为队头(front)，该操作称为出队。
队列遵循先进先出(First-in, First-out)原则。
基于数组实现环形队列
class Array(object):
def __init__(self, size=32):
"""
:param size: 长度
"""
self._size = size
self._items = [None] * size
# 在执行array[key]时执行
def __getitem__(self, index):
return self._items[index]
# 在执行array[key] = value 时执行
def __setitem__(self, index, value):
self._items[index] = value
# 在执行len(array) 时执行
def __len__(self):
return self._size
# 清空数组
def clear(self, value=None):
for i in range(len(self._items)):
self._items[i] = value
# 在遍历时执行
def __iter__(self):
for item in self._items:
yield item
class ArrayQueue(object):
def __init__(self, maxsize):
self.maxsize = maxsize
self.array = Array(maxsize)
self.head = 0
self.tail = 0
def __len__(self):
return self.head - self.tail
# 入队
def push(self, value):
if len(self) >= self.maxsize:
raise Exception("Queue is full")
self.array[self.head % self.maxsize] = value
self.head += 1
# 出队
def pop(self):
value = self.array[self.tail % self.maxsize]
self.tail += 1
return value使用
size = 5
q = ArrayQueue(size)
for i in range(size):
q.push(i)
print(len(q)) # 5
print(q.pop()) # 0
print(q.pop()) # 1基于双向链表实现双向队列
class Node(object):
def __init__(self, value=None, prev=None, next=None):
self.value = value
self.prev = prev
self.next = next
class CircularDoubleLinkedList(object):
"""
双向循环链表
"""
def __init__(self, maxsize=None):
self.maxsize = maxsize
node = Node()
node.prev = node
node.next = node
self.root = node
self.length = 0
def __len__(self):
return self.length
def head_node(self):
return self.root.next
def tail_node(self):
return self.root.prev
# 遍历
def iter_node(self):
if self.root.next is self.root:
return
current_node = self.root.next
while current_node.next is not self.root:
yield current_node
current_node = current_node.next
yield current_node
def __iter__(self):
for node in self.iter_node():
yield node.value
# 反序遍历
def iter_node_reverse(self):
if self.root.prev is self.root:
return
current_node = self.root.prev
while current_node.prev is not self.root:
yield current_node
current_node = current_node.prev
yield current_node
def append(self, value):
if self.maxsize is not None and len(self) >= self.maxsize:
raise Exception("LinkedList is full")
node = Node(value)
tail_node = self.tail_node() or self.root
tail_node.next = node
node.prev = tail_node
node.next = self.root
self.root.prev = node
self.length += 1
def append_left(self, value):
if self.maxsize is not None and len(self) >= self.maxsize:
raise Exception("LinkedList is full")
node = Node(value)
if self.root.next is self.root:
self.root.next = node
node.prev = self.root
node.next = self.root
self.root.prev = node
else:
node.next = self.root.next
self.root.next.prev = node
self.root.next = node
node.prev = self.root
self.length += 1
def remove(self, node):
if node is self.root:
return
node.next.prev = node.prev
node.prev.next = node.next
self.length -= 1
return node
# 双向队列
class Deque(CircularDoubleLinkedList):
# 从右边出队
def pop(self):
if len(self) <= 0:
raise Exception("stark is empty!")
tail_node = self.tail_node()
value = tail_node.value
self.remove(tail_node)
return value
# 从左边出队
def popleft(self):
if len(self) <= 0:
raise Exception("stark is empty!")
head_node = self.head_node()
value = head_node.value
self.remove(head_node)
return value双向队列
双向队列允许在两端同时进行插入和删除操作。
基于双向链表实现双向队列
class Node(object):
def __init__(self, value=None, prev=None, next=None):
self.value = value
self.prev = prev
self.next = next
class CircularDoubleLinkedList(object):
"""
双向循环链表
"""
def __init__(self, maxsize=None):
self.maxsize = maxsize
node = Node()
node.prev = node
node.next = node
self.root = node
self.length = 0
def __len__(self):
return self.length
def head_node(self):
return self.root.next
def tail_node(self):
return self.root.prev
# 遍历
def iter_node(self):
if self.root.next is self.root:
return
current_node = self.root.next
while current_node.next is not self.root:
yield current_node
current_node = current_node.next
yield current_node
def __iter__(self):
for node in self.iter_node():
yield node.value
# 反序遍历
def iter_node_reverse(self):
if self.root.prev is self.root:
return
current_node = self.root.prev
while current_node.prev is not self.root:
yield current_node
current_node = current_node.prev
yield current_node
def append(self, value):
if self.maxsize is not None and len(self) >= self.maxsize:
raise Exception("LinkedList is full")
node = Node(value)
tail_node = self.tail_node() or self.root
tail_node.next = node
node.prev = tail_node
node.next = self.root
self.root.prev = node
self.length += 1
def append_left(self, value):
if self.maxsize is not None and len(self) >= self.maxsize:
raise Exception("LinkedList is full")
node = Node(value)
if self.root.next is self.root:
self.root.next = node
node.prev = self.root
node.next = self.root
self.root.prev = node
else:
node.next = self.root.next
self.root.next.prev = node
self.root.next = node
node.prev = self.root
self.length += 1
def remove(self, node):
if node is self.root:
return
node.next.prev = node.prev
node.prev.next = node.next
self.length -= 1
return node
# 双向队列
class Deque(CircularDoubleLinkedList):
# 从右边出队
def pop(self):
if len(self) <= 0:
raise Exception("stark is empty!")
tail_node = self.tail_node()
value = tail_node.value
self.remove(tail_node)
return value
# 从左边出队
def popleft(self):
if len(self) <= 0:
raise Exception("stark is empty!")
head_node = self.head_node()
value = head_node.value
self.remove(head_node)
return value双向队列的使用
dq = Deque()
dq.append(1)
dq.append(2)
print(list(dq)) # [1, 2]
dq.appendleft(0)
print(list(dq)) # [0, 1, 2]
dq.pop()
print(list(dq)) # [0, 1]
dq.popleft()
print(list(dq)) # [1]
dq.pop()
print(len(dq)) # 0
栈的操作与实现
栈
栈(Stack)是一种仅允许在一端进行插入或删除操作的线性表。
栈的核心特征是后进先出(Last-in, First-out)。
栈的基本概念包括：
- 栈顶
- 栈底
栈的基本操作包括：
- 进栈（压栈）：push
- 出栈：pop
基于双向队列实现
class Node(object):
def __init__(self, value=None, prev=None, next=None):
self.value = value
self.prev = prev
self.next = next
class CircularDoubleLinkedList(object):
"""
双向循环链表
"""
def __init__(self, maxsize=None):
self.maxsize = maxsize
node = Node()
node.prev = node
node.next = node
self.root = node
self.length = 0
def __len__(self):
return self.length
def head_node(self):
return self.root.next
def tail_node(self):
return self.root.prev
# 遍历
def iter_node(self):
if self.root.next is self.root:
return
current_node = self.root.next
while current_node.next is not self.root:
yield current_node
current_node = current_node.next
yield current_node
def __iter__(self):
for node in self.iter_node():
yield node.value
# 反序遍历
def iter_node_reverse(self):
if self.root.prev is self.root:
return
current_node = self.root.prev
while current_node.prev is not self.root:
yield current_node
current_node = current_node.prev
yield current_node
def append(self, value):
if self.maxsize is not None and len(self) >= self.maxsize:
raise Exception("LinkedList is full")
node = Node(value)
tail_node = self.tail_node() or self.root
tail_node.next = node
node.prev = tail_node
node.next = self.root
self.root.prev = node
self.length += 1
def append_left(self, value):
if self.maxsize is not None and len(self) >= self.maxsize:
raise Exception("LinkedList is full")
node = Node(value)
if self.root.next is self.root:
self.root.next = node
node.prev = self.root
node.next = self.root
self.root.prev = node
else:
node.next = self.root.next
self.root.next.prev = node
self.root.next = node
node.prev = self.root
self.length += 1
def remove(self, node):
if node is self.root:
return
node.next.prev = node.prev
node.prev.next = node.next
self.length -= 1
return node
class Deque(CircularDoubleLinkedList):
def pop(self):
if len(self) <= 0:
raise Exception("stark is empty!")
tail_node = self.tail_node()
value = tail_node.value
self.remove(tail_node)
return value
def popleft(self):
if len(self) <= 0:
raise Exception("stark is empty!")
head_node = self.head_node()
value = head_node.value
self.remove(head_node)
return value
class Stack(object):
def __init__(self):
self.deque = Deque()
# 压栈
def push(self, value):
self.deque.append(value)
# 出栈
def pop(self):
return self.deque.pop()使用
s = Stack()
s.push(0)
s.push(1)
s.push(2)
print(s.pop()) # 2
print(s.pop()) # 1
print(s.pop()) # 0总结
以上介绍了使用Python实现数组、链表、队列和栈的方法，希望能为读者提供有益参考。如有任何疑问，欢迎留言交流，小编将及时回复。感谢支持！ 若本文对您有所帮助，欢迎转载，请注明出处，谢谢！
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