Como gerar todas as permutações de uma lista?

Como você gera todas as permutações de uma lista no Python, independentemente do tipo de elementos nessa lista?

Por exemplo:

permutations([])
[]

permutations([1])
[1]

permutations([1, 2])
[1, 2]
[2, 1]

permutations([1, 2, 3])
[1, 2, 3]
[1, 3, 2]
[2, 1, 3]
[2, 3, 1]
[3, 1, 2]
[3, 2, 1]

Começando com Python 2.6 (e se você estiver em Python 3) você tem um padrão da biblioteca ferramenta para isso: itertools.permutations.

import itertools
list(itertools.permutations([1, 2, 3]))

Se você estiver usando um Python mais antigo (<2.6) por algum motivo ou estiver curioso para saber como ele funciona, aqui está uma boa abordagem, feita em http://code.activestate.com/recipes/252178/ :

def all_perms(elements):
    if len(elements) <=1:
        yield elements
    else:
        for perm in all_perms(elements[1:]):
            for i in range(len(elements)):
                # nb elements[0:1] works in both string and list contexts
                yield perm[:i] + elements[0:1] + perm[i:]

Algumas abordagens alternativas estão listadas na documentação de itertools.permutations. Aqui está um:

def permutations(iterable, r=None):
    # permutations('ABCD', 2) --> AB AC AD BA BC BD CA CB CD DA DB DC
    # permutations(range(3)) --> 012 021 102 120 201 210
    pool = tuple(iterable)
    n = len(pool)
    r = n if r is None else r
    if r > n:
        return
    indices = range(n)
    cycles = range(n, n-r, -1)
    yield tuple(pool[i] for i in indices[:r])
    while n:
        for i in reversed(range(r)):
            cycles[i] -= 1
            if cycles[i] == 0:
                indices[i:] = indices[i+1:] + indices[i:i+1]
                cycles[i] = n - i
            else:
                j = cycles[i]
                indices[i], indices[-j] = indices[-j], indices[i]
                yield tuple(pool[i] for i in indices[:r])
                break
        else:
            return

E outro, baseado em itertools.product:

def permutations(iterable, r=None):
    pool = tuple(iterable)
    n = len(pool)
    r = n if r is None else r
    for indices in product(range(n), repeat=r):
        if len(set(indices)) == r:
            yield tuple(pool[i] for i in indices)

E no Python 2.6 em diante:

import itertools
itertools.permutations([1,2,3])

(retornado como um gerador. Use list(permutations(l))para retornar como uma lista.)

O código a seguir com o Python 2.6 e acima SOMENTE

Primeiro, importe itertools:

import itertools

Permutação (ordem importa):

print list(itertools.permutations([1,2,3,4], 2))
[(1, 2), (1, 3), (1, 4),
(2, 1), (2, 3), (2, 4),
(3, 1), (3, 2), (3, 4),
(4, 1), (4, 2), (4, 3)]

Combinação (a ordem NÃO importa):

print list(itertools.combinations('123', 2))
[('1', '2'), ('1', '3'), ('2', '3')]

Produto cartesiano (com várias iteráveis):

print list(itertools.product([1,2,3], [4,5,6]))
[(1, 4), (1, 5), (1, 6),
(2, 4), (2, 5), (2, 6),
(3, 4), (3, 5), (3, 6)]

Produto cartesiano (com um iterável e ele próprio):

print list(itertools.product([1,2], repeat=3))
[(1, 1, 1), (1, 1, 2), (1, 2, 1), (1, 2, 2),
(2, 1, 1), (2, 1, 2), (2, 2, 1), (2, 2, 2)]

def permutations(head, tail=''):
    if len(head) == 0: print tail
    else:
        for i in range(len(head)):
            permutations(head[0:i] + head[i+1:], tail+head[i])

chamado como:

permutations('abc')

#!/usr/bin/env python

def perm(a, k=0):
   if k == len(a):
      print a
   else:
      for i in xrange(k, len(a)):
         a[k], a[i] = a[i] ,a[k]
         perm(a, k+1)
         a[k], a[i] = a[i], a[k]

perm([1,2,3])

Resultado:

[1, 2, 3]
[1, 3, 2]
[2, 1, 3]
[2, 3, 1]
[3, 2, 1]
[3, 1, 2]

Como estou trocando o conteúdo da lista, é necessário um tipo de sequência mutável como entrada. Por exemplo perm(list("ball")), funcionará e perm("ball")não funcionará porque você não pode alterar uma string.

Essa implementação em Python é inspirada no algoritmo apresentado no livro Computer Algorithms by Horowitz, Sahni and Rajasekeran .

Esta solução implementa um gerador, para evitar reter todas as permutações na memória:

def permutations (orig_list):
    if not isinstance(orig_list, list):
        orig_list = list(orig_list)

    yield orig_list

    if len(orig_list) == 1:
        return

    for n in sorted(orig_list):
        new_list = orig_list[:]
        pos = new_list.index(n)
        del(new_list[pos])
        new_list.insert(0, n)
        for resto in permutations(new_list[1:]):
            if new_list[:1] + resto <> orig_list:
                yield new_list[:1] + resto

Em um estilo funcional

def addperm(x,l):
    return [ l[0:i] + [x] + l[i:]  for i in range(len(l)+1) ]

def perm(l):
    if len(l) == 0:
        return [[]]
    return [x for y in perm(l[1:]) for x in addperm(l[0],y) ]

print perm([ i for i in range(3)])

O resultado:

[[0, 1, 2], [1, 0, 2], [1, 2, 0], [0, 2, 1], [2, 0, 1], [2, 1, 0]]

O código a seguir é uma permutação no local de uma determinada lista, implementada como um gerador. Como ele retorna apenas referências à lista, a lista não deve ser modificada fora do gerador. A solução não é recursiva, portanto, usa pouca memória. Trabalhe bem também com várias cópias de elementos na lista de entrada.

def permute_in_place(a):
    a.sort()
    yield list(a)

    if len(a) <= 1:
        return

    first = 0
    last = len(a)
    while 1:
        i = last - 1

        while 1:
            i = i - 1
            if a[i] < a[i+1]:
                j = last - 1
                while not (a[i] < a[j]):
                    j = j - 1
                a[i], a[j] = a[j], a[i] # swap the values
                r = a[i+1:last]
                r.reverse()
                a[i+1:last] = r
                yield list(a)
                break
            if i == first:
                a.reverse()
                return

if __name__ == '__main__':
    for n in range(5):
        for a in permute_in_place(range(1, n+1)):
            print a
        print

    for a in permute_in_place([0, 0, 1, 1, 1]):
        print a
    print

Uma maneira bastante óbvia na minha opinião pode ser também:

def permutList(l):
    if not l:
            return [[]]
    res = []
    for e in l:
            temp = l[:]
            temp.remove(e)
            res.extend([[e] + r for r in permutList(temp)])

    return res

list2Perm = [1, 2.0, 'three']
listPerm = [[a, b, c]
            for a in list2Perm
            for b in list2Perm
            for c in list2Perm
            if ( a != b and b != c and a != c )
            ]
print listPerm

Resultado:

[
    [1, 2.0, 'three'], 
    [1, 'three', 2.0], 
    [2.0, 1, 'three'], 
    [2.0, 'three', 1], 
    ['three', 1, 2.0], 
    ['three', 2.0, 1]
]

Usei um algoritmo baseado no sistema de números fatoriais - Para obter uma lista de comprimento n, você pode montar cada item de permutação por item, selecionando os itens deixados em cada estágio. Você tem n opções para o primeiro item, n-1 para o segundo e apenas uma para o último, para poder usar os dígitos de um número no sistema de números fatoriais como índices. Dessa forma, os números de 0 a n! -1 correspondem a todas as permutações possíveis em ordem lexicográfica.

from math import factorial
def permutations(l):
    permutations=[]
    length=len(l)
    for x in xrange(factorial(length)):
        available=list(l)
        newPermutation=[]
        for radix in xrange(length, 0, -1):
            placeValue=factorial(radix-1)
            index=x/placeValue
            newPermutation.append(available.pop(index))
            x-=index*placeValue
        permutations.append(newPermutation)
    return permutations

permutations(range(3))

resultado:

[[0, 1, 2], [0, 2, 1], [1, 0, 2], [1, 2, 0], [2, 0, 1], [2, 1, 0]]

Este método não é recursivo, mas é um pouco mais lento no meu computador e o xrange gera um erro quando n! é muito grande para ser convertido em um inteiro C longo (n = 13 para mim). Foi o suficiente quando eu precisei, mas não há nenhum problema.

Observe que esse algoritmo tem uma n factorialcomplexidade de tempo, onde né o comprimento da lista de entrada

Imprima os resultados na execução:

global result
result = [] 

def permutation(li):
if li == [] or li == None:
    return

if len(li) == 1:
    result.append(li[0])
    print result
    result.pop()
    return

for i in range(0,len(li)):
    result.append(li[i])
    permutation(li[:i] + li[i+1:])
    result.pop()    

Exemplo:

permutation([1,2,3])

Resultado:

[1, 2, 3]
[1, 3, 2]
[2, 1, 3]
[2, 3, 1]
[3, 1, 2]
[3, 2, 1]

Na verdade, pode-se iterar sobre o primeiro elemento de cada permutação, como na resposta de tzwenn. No entanto, é mais eficiente escrever esta solução desta maneira:

def all_perms(elements):
    if len(elements) <= 1:
        yield elements  # Only permutation possible = no permutation
    else:
        # Iteration over the first element in the result permutation:
        for (index, first_elmt) in enumerate(elements):
            other_elmts = elements[:index]+elements[index+1:]
            for permutation in all_perms(other_elmts): 
                yield [first_elmt] + permutation

Esta solução é cerca de 30% mais rápida, aparentemente graças à recursão que termina em len(elements) <= 1vez de 0. Também é muito mais eficiente em termos de memória, pois utiliza uma função de gerador (através yield), como na solução de Riccardo Reyes.

Isso é inspirado na implementação de Haskell usando a compreensão da lista:

def permutation(list):
    if len(list) == 0:
        return [[]]
    else:
        return [[x] + ys for x in list for ys in permutation(delete(list, x))]

def delete(list, item):
    lc = list[:]
    lc.remove(item)
    return lc

Implementação regular (sem rendimento - fará tudo na memória):

def getPermutations(array):
    if len(array) == 1:
        return [array]
    permutations = []
    for i in range(len(array)): 
        # get all perm's of subarray w/o current item
        perms = getPermutations(array[:i] + array[i+1:])  
        for p in perms:
            permutations.append([array[i], *p])
    return permutations

Implementação de rendimento:

def getPermutations(array):
    if len(array) == 1:
        yield array
    else:
        for i in range(len(array)):
            perms = getPermutations(array[:i] + array[i+1:])
            for p in perms:
                yield [array[i], *p]

A idéia básica é revisar todos os elementos da matriz para a 1ª posição e, em seguida, na 2ª posição, revisar todos os outros elementos sem o elemento escolhido para a 1ª, etc. Você pode fazer isso com recursão , onde O critério de parada está chegando a uma matriz de 1 elemento - nesse caso, você retorna essa matriz.

Para desempenho, uma solução numpy inspirada em Knuth , (p22):

from numpy import empty, uint8
from math import factorial

def perms(n):
    f = 1
    p = empty((2*n-1, factorial(n)), uint8)
    for i in range(n):
        p[i, :f] = i
        p[i+1:2*i+1, :f] = p[:i, :f]  # constitution de blocs
        for j in range(i):
            p[:i+1, f*(j+1):f*(j+2)] = p[j+1:j+i+2, :f]  # copie de blocs
        f = f*(i+1)
    return p[:n, :]

Copiar grandes blocos de memória economiza tempo - é 20x mais rápido que list(itertools.permutations(range(n)):

In [1]: %timeit -n10 list(permutations(range(10)))
10 loops, best of 3: 815 ms per loop

In [2]: %timeit -n100 perms(10) 
100 loops, best of 3: 40 ms per loop

from __future__ import print_function

def perm(n):
    p = []
    for i in range(0,n+1):
        p.append(i)
    while True:
        for i in range(1,n+1):
            print(p[i], end=' ')
        print("")
        i = n - 1
        found = 0
        while (not found and i>0):
            if p[i]<p[i+1]:
                found = 1
            else:
                i = i - 1
        k = n
        while p[i]>p[k]:
            k = k - 1
        aux = p[i]
        p[i] = p[k]
        p[k] = aux
        for j in range(1,(n-i)/2+1):
            aux = p[i+j]
            p[i+j] = p[n-j+1]
            p[n-j+1] = aux
        if not found:
            break

perm(5)

Aqui está um algoritmo que funciona em uma lista sem criar novas listas intermediárias semelhantes à solução de Ber em https://stackoverflow.com/a/108651/184528 .

def permute(xs, low=0):
    if low + 1 >= len(xs):
        yield xs
    else:
        for p in permute(xs, low + 1):
            yield p        
        for i in range(low + 1, len(xs)):        
            xs[low], xs[i] = xs[i], xs[low]
            for p in permute(xs, low + 1):
                yield p        
            xs[low], xs[i] = xs[i], xs[low]

for p in permute([1, 2, 3, 4]):
    print p

Você pode experimentar o código aqui: http://repl.it/J9v

A beleza da recursão:

>>> import copy
>>> def perm(prefix,rest):
...      for e in rest:
...              new_rest=copy.copy(rest)
...              new_prefix=copy.copy(prefix)
...              new_prefix.append(e)
...              new_rest.remove(e)
...              if len(new_rest) == 0:
...                      print new_prefix + new_rest
...                      continue
...              perm(new_prefix,new_rest)
... 
>>> perm([],['a','b','c','d'])
['a', 'b', 'c', 'd']
['a', 'b', 'd', 'c']
['a', 'c', 'b', 'd']
['a', 'c', 'd', 'b']
['a', 'd', 'b', 'c']
['a', 'd', 'c', 'b']
['b', 'a', 'c', 'd']
['b', 'a', 'd', 'c']
['b', 'c', 'a', 'd']
['b', 'c', 'd', 'a']
['b', 'd', 'a', 'c']
['b', 'd', 'c', 'a']
['c', 'a', 'b', 'd']
['c', 'a', 'd', 'b']
['c', 'b', 'a', 'd']
['c', 'b', 'd', 'a']
['c', 'd', 'a', 'b']
['c', 'd', 'b', 'a']
['d', 'a', 'b', 'c']
['d', 'a', 'c', 'b']
['d', 'b', 'a', 'c']
['d', 'b', 'c', 'a']
['d', 'c', 'a', 'b']
['d', 'c', 'b', 'a']

Este algoritmo é o mais eficaz, evita a passagem e manipulação de array em chamadas recursivas, funciona em Python 2, 3:

def permute(items):
    length = len(items)
    def inner(ix=[]):
        do_yield = len(ix) == length - 1
        for i in range(0, length):
            if i in ix: #avoid duplicates
                continue
            if do_yield:
                yield tuple([items[y] for y in ix + [i]])
            else:
                for p in inner(ix + [i]):
                    yield p
    return inner()

Uso:

for p in permute((1,2,3)):
    print(p)

(1, 2, 3)
(1, 3, 2)
(2, 1, 3)
(2, 3, 1)
(3, 1, 2)
(3, 2, 1)

def pzip(c, seq):
    result = []
    for item in seq:
        for i in range(len(item)+1):
            result.append(item[i:]+c+item[:i])
    return result


def perm(line):
    seq = [c for c in line]
    if len(seq) <=1 :
        return seq
    else:
        return pzip(seq[0], perm(seq[1:]))

Outra abordagem (sem libs)

def permutation(input):
    if len(input) == 1:
        return input if isinstance(input, list) else [input]

    result = []
    for i in range(len(input)):
        first = input[i]
        rest = input[:i] + input[i + 1:]
        rest_permutation = permutation(rest)
        for p in rest_permutation:
            result.append(first + p)
    return result

A entrada pode ser uma sequência ou uma lista

print(permutation('abcd'))
print(permutation(['a', 'b', 'c', 'd']))

Isenção de responsabilidade: plugue sem forma por autor do pacote :)

O pacote trotter é diferente da maioria das implementações, pois gera pseudo-listas que na verdade não contêm permutações, mas descreve mapeamentos entre permutações e respectivas posições em uma ordem, tornando possível trabalhar com 'listas' muito grandes de permutações, como mostrado em esta demonstração que executa muito instantânea operações e look-ups em uma pseudo-lista 'contendo' todas as permutações das letras no alfabeto, sem o uso de mais memória ou processamento de uma página web típico.

De qualquer forma, para gerar uma lista de permutações, podemos fazer o seguinte.

import trotter

my_permutations = trotter.Permutations(3, [1, 2, 3])

print(my_permutations)

for p in my_permutations:
    print(p)

Resultado:

Uma pseudo-lista contendo 6 3 permutações de [1, 2, 3].
[1, 2, 3]
[1, 3, 2]
[3, 1, 2]
[3, 2, 1]
[2, 3, 1]
[2, 1, 3]

Gere todas as permutações possíveis

Estou usando python3.4:

def calcperm(arr, size):
    result = set([()])
    for dummy_idx in range(size):
        temp = set()
        for dummy_lst in result:
            for dummy_outcome in arr:
                if dummy_outcome not in dummy_lst:
                    new_seq = list(dummy_lst)
                    new_seq.append(dummy_outcome)
                    temp.add(tuple(new_seq))
        result = temp
    return result

Casos de teste:

lst = [1, 2, 3, 4]
#lst = ["yellow", "magenta", "white", "blue"]
seq = 2
final = calcperm(lst, seq)
print(len(final))
print(final)

Para poupar a você horas possíveis de pesquisa e experimentação, aqui está a solução de permutações não recursivas no Python, que também funciona com o Numba (a partir da versão 0.41):

@numba.njit()
def permutations(A, k):
    r = [[i for i in range(0)]]
    for i in range(k):
        r = [[a] + b for a in A for b in r if (a in b)==False]
    return r
permutations([1,2,3],3)
[[1, 2, 3], [1, 3, 2], [2, 1, 3], [2, 3, 1], [3, 1, 2], [3, 2, 1]]

Para dar uma impressão sobre desempenho:

%timeit permutations(np.arange(5),5)

243 µs ± 11.1 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1 loop each)
time: 406 ms

%timeit list(itertools.permutations(np.arange(5),5))
15.9 µs ± 8.61 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100000 loops each)
time: 12.9 s

Portanto, use esta versão apenas se você precisar chamá-la da função njitted, caso contrário, prefira a implementação de ferramentas.

Eu vejo muita iteração acontecendo dentro dessas funções recursivas, não exatamente recursão pura ...

Portanto, para aqueles que não conseguem cumprir nem um único ciclo, aqui está uma solução totalmente recursiva bruta e totalmente desnecessária

def all_insert(x, e, i=0):
    return [x[0:i]+[e]+x[i:]] + all_insert(x,e,i+1) if i<len(x)+1 else []

def for_each(X, e):
    return all_insert(X[0], e) + for_each(X[1:],e) if X else []

def permute(x):
    return [x] if len(x) < 2 else for_each( permute(x[1:]) , x[0])


perms = permute([1,2,3])

Outra solução:

def permutation(flag, k =1 ):
    N = len(flag)
    for i in xrange(0, N):
        if flag[i] != 0:
            continue
        flag[i] = k 
        if k == N:
            print flag
        permutation(flag, k+1)
        flag[i] = 0

permutation([0, 0, 0])

Minha solução Python:

def permutes(input,offset):
    if( len(input) == offset ):
        return [''.join(input)]

    result=[]        
    for i in range( offset, len(input) ):
         input[offset], input[i] = input[i], input[offset]
         result = result + permutes(input,offset+1)
         input[offset], input[i] = input[i], input[offset]
    return result

# input is a "string"
# return value is a list of strings
def permutations(input):
    return permutes( list(input), 0 )

# Main Program
print( permutations("wxyz") )

def permutation(word, first_char=None):
    if word == None or len(word) == 0: return []
    if len(word) == 1: return [word]

    result = []
    first_char = word[0]
    for sub_word in permutation(word[1:], first_char):
        result += insert(first_char, sub_word)
    return sorted(result)

def insert(ch, sub_word):
    arr = [ch + sub_word]
    for i in range(len(sub_word)):
        arr.append(sub_word[i:] + ch + sub_word[:i])
    return arr


assert permutation(None) == []
assert permutation('') == []
assert permutation('1')  == ['1']
assert permutation('12') == ['12', '21']

print permutation('abc')

Saída: ['abc', 'acb', 'bac', 'bca', 'cab', 'cba']

Usando Counter

from collections import Counter

def permutations(nums):
    ans = [[]]
    cache = Counter(nums)

    for idx, x in enumerate(nums):
        result = []
        for items in ans:
            cache1 = Counter(items)
            for id, n in enumerate(nums):
                if cache[n] != cache1[n] and items + [n] not in result:
                    result.append(items + [n])

        ans = result
    return ans
permutations([1, 2, 2])
> [[1, 2, 2], [2, 1, 2], [2, 2, 1]]