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「新・明解Pythonで学ぶアルゴリズムとデータ構造」で勉強日記#17

【出典】「新・明解Pythonで学ぶアルゴリズムとデータ構造」
前回の記事はこちら

4-2 キュー

キューはデータ構造の一つで、先入先出の機構です。(レジの行列のイメージ)
キューに追加する操作をエンキュー、取り出す操作をデキューと呼び、取り出される側を先頭、データが押し込まれる側を末尾と呼びます。

コラム4-5 優先度付キュー

優先度付のキューを追加するとデキューする際に優先度順に取り出すことができる。
heapqモジュールで提供されており、heapq.heappsh(heap, data)でキューを、heap.heappop(heap)でデキューをします。(6章でまた扱います)

リングバッファーによるキューの実現

デキューの際に配列内の要素をずらすことなくキューを実現するために用いるのがリングバッファーです。(切られたピザのようなイメージ)
先頭と末尾はfrontとrearで管理します。
リングバッファーを使うことで、要素の移動が不要になり、計算量はO(1)となります。

list4-3
#固定長キュークラス

from typing import Any

class FixedQueue:

    class Empty(Exception):
        """空のFixedQueueに対してdequeあるいはpeekが呼び出されたときに送出する例外"""

    class Full(Exception):
        """満杯のFixedQueueに対してenpueが呼び出されたときに送出する例外"""
        pass

    def __init__(self, capacity: int) -> None:
        """初期化"""
        self.no = 0 #現在のデータ数
        self.front = 0 #先頭要素カーソル
        self.rear = 0 #末尾要素カーソル
        self.capacity = capacity #キューの容量
        self.que = [None] * capacity #キューの本体

    def __len__(self) -> int:
        """キューに押し込まれているデータ数を返す"""
        return self.no

    def is_empty(self) -> bool:
        """キューは空であるか"""
        return self.no <= 0

    def is_full(self) -> bool:
        """キューは満杯か"""
        return self.no >= self.capacity


    def enque(self, x: Any) -> None:
        """データxをエンキュー"""
        if self.is_full():
            raise FixedQueue.Full
        self.que[self.rear] = x
        self.rear += 1
        self.no += 1
        if self.rear == self.capacity:
            self.rear = 0


    def deque(self) -> Any:
        """データをデキュー"""
        if self.is_empty():
            raise FixedQueue.Empty
        x = self.que[self.front]
        self.front += 1
        if self.front == self.capacity:
            self.front = 0
        return x


    def peek(self) -> Any:
        """データをピーク(先頭データをのぞく)"""
        if self.is_empty():
            raise FixedQueue.Empty #キューは空
        return self.que[self.front]

    def find(self, value: Any) -> Any:
        """キューからvalueを探して添字(見つからなければ-1)を返す"""
        for i in range(self.no):
            idx = (i + self.front) % self.capacity
            if self.que[idx] == value: #探索成功
                return idx
        return -1 #探索失敗

    def count(self, value: Any) -> bool:
        """キューに含まれるvalueの個数を返す"""
        c = 0
        for i in range(self.no): #底側から線形探索
            idx = (i + self.front) % self.capacity
            if self.que[idx] == value:
                c += 1
        return c

    def __contains__(self, value: Any) -> bool:
        """キューにvalueは含まれているか"""
        return self.count(value)

    def clear(self) -> None:
        """キューを空にする"""
        self.no = self.front = self.rear = 0

    def dump(self) -> None:
        """全データを先頭→末尾の順に表示"""
        if self.is_empty():
            print('キューは空です')
        else:
            for i in range(self.no):
                print(self.que[(i + self.front) % self.capacity], end=' ')
            print()
list4-4
#固定長スタックStackの利用例

from enum import Enum
#from fixed_queue import FixedQueue

Menu = Enum('Menu', ['エンキュー', 'デキュー', 'ピーク', '探索', 'ダンプ', '終了'])

def select_menu() -> Menu:
    """メニュー選択"""
    s = [f'({m.value}){m.name}' for m in Menu]
    while True:
        print(*s, sep=' ', end='' )
        n = int(input(':'))
        if 1 <= n <= len(Menu):
            return Menu(n)

q = FixedQueue(64) #最大64個プッシュできるスタック

while True:
    print(f'現在のデータ数:{len(q)} / {q.capacity}')
    menu = select_menu() #メニュー選択

    if menu ==  Menu.エンキュー: #エンキュー
        x = int(input('データ:'))
        try:
            q.enque(x)
        except FixedQueue.Full:
            print('キューが満杯です。')

    elif menu == Menu.デキュー: #デキュー
        try:
            x = q.deque()
            print(f'デキューしたデータは{x}です。')
        except  FixedQueue.Empty:
            print('キューが空です。')

    elif menu == Menu.ピーク: #ピーク
        try:
            x = q.peek()
            print(f'ピークしたデータは{x}です。')
        except FixedQueue.Empty:
            print('キューが空です。')

    elif menu == Menu.探索: #探索
        x = int(input('値:')) 
        if x in q:
            print(f'{q.count(x)}個含まれ先頭の位置は{q.find(x)}です。')
        else:
            print('その値は含まれません。')

    elif menu == Menu.ダンプ:
            q.dump()

    else:
        break
コラム4-6 両方向待ち行列(デック)

デックと呼ばれる両方向待ち行列は、先頭末尾両方からデータの押し込み・取出しが行えるデータ構造で、collections.dequeとして提供されています。

コラム4-7 リングバッファの応用例
list4C-2

#好きな個数だけ値を読み込んで要素数nの配列に最後のn個を格納

n = int(input('何個の整数を記憶しますか:'))
a = [None] * n #読み込んだ値を格納する配列

cnt = 0
while True:
    a[cnt % n] = int(input((f'{cnt + 1}個目の整数:')))
    cnt += 1

    retry = input(f'続けますか?(Y…Yes / N…No) :')
    if retry in {'N', 'n'}:
        break

i = cnt - n
if i < 0: i = 0

while i < cnt:
    print(f'{i + 1}個目={a[i % n]}')
    i += 1

以上です。今回で4章が終了です。
ありがとうございました。

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