【数据结构基础】栈简介（使用ES6）

数据结构这词大家都不陌生吧，这可是计算机专业人员的必修课专业之一，如果想成为专业的开发人员，必须深入理解这门课程，在这系列文章里，笔者将使用ES6，让大家熟悉数据结构这门专业课的内容。

到底什么是数据结构？数据结构是计算机存储、组织数据的方式。数据结构是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。通常情况下，精心选择的数据结构可以带来更高的运行或者存储效率。数据结构往往同高效的检索算法和索引技术有关（来源百度百科）。更多关于数据结构的介绍，大家可以先看看笔者的这篇文章 《JavaScript 数据结构：什么是数据结构？》 。

本篇文章笔者将从数据结构最基础的结构开始介绍——stack（栈），笔者将从以下几个方面进行介绍：

• 什么是栈？
• 如何用JS简单的实现栈？
• 创建更高效的基于对象Stack类
• 实际应用举例
• 练习题

本篇文章阅读时间预计 10 分钟。

什么是栈?

栈是一种高效的数据结构（后进先出（LIFO）原则的有序集合），因为数据只能在栈顶添加或删除，所以这样的操作很快，而且容易实现。栈的使用遍布程序语言实现的方方面面。编程语言中的编译器也会使用到堆栈，计算机内存也会使用堆栈来存储变量和方法调用，浏览器的后退功能。除了计算机方面有诸多栈的应用，现实中也有实际例子，比如我们从一摞书中拿一本书，吃自助餐从一摞盘子里拿最上面的盘子，等等：

如何用JS简单的实现栈？

我们如何使用JS模拟一个简单的栈呢，首先我们创建一个stack-array.js文件，声明一个StackArray类，代码如下：

class StackArray {
    constructor() {
        this.items = []; // {1}
    }
}复制代码

接下来该怎么做？我们需要一个能够存储堆栈元素的数据结构，我们可以使用数组结构来完成，同时还需要我们在堆栈中添加和移除数据元素，由于堆栈后进先出的原则，我们的添加和删除方法稍微特别些，Stack这个类的实现包含以下几个方法：

1. push(element(s)): 此方法将新添加的元素添加至堆栈的顶部
2. pop():此方法删除栈顶的元素，同时返回已删除的元素
3. peek(): 返回堆栈的顶部元素
4. isEmpty(): 判断堆栈是否为空，如果为空，返回True, 否则返回False。
5. clear(): 清空堆栈所有的元素。
6. size(): 此方法返回堆栈元素的数量，类似数组的长度。
7. toArray(): 以数组的形式返回堆栈的元素。
8. toString()：以字符串的形式输出堆栈内容。

push()

此方法负责向堆栈添加新元素，其中最重要的特点就是：只能将新元素添加到栈顶，即堆栈的末尾，我们可以使用数组的push方法正好符合这个需求，代码如下：

push(element) {
    this.items.push(element);
} 复制代码

pop()

接下来我们来实现pop()方法，此方法实现删除栈顶的元素，由于遵循LIFO原则，删除的是最后的元素，我们可以使用数组自带的pop方法，代码如下：

pop() {
    return this.items.pop();
} 复制代码

peek()、isEmpty()、size()、clear()

核心的添加和删除已经完成，现在我们来实现相关的辅助方法， peek()方法让我们获取堆栈最后的一个元素，实现代码如下：

peek() {
    return this.items[this.items.length - 1];
} 复制代码

isEmpty()的方法也十分简单，判断堆栈数组的长度是否为0即可，代码如下：

isEmpty() {
    return this.items.length === 0;
} 复制代码

size()方法更简单，使用数组的length方法即可，代码如下

size() {
    return this.items.length;
} 复制代码

最后实现最简单的清空方法clear()，将堆栈变量重新置空赋值即可：

clear() {
    this.items = [];
}复制代码

最终完成的stack-array.js代码如下：

export default class StackArray {
    constructor() {
        this.items = [];
    }

    push(element) {
        this.items.push(element);
    }

    pop() {
        return this.items.pop();
    }

    peek() {
        return this.items[this.items.length - 1];
    }

    isEmpty() {
        return this.items.length === 0;
    }

    size() {
        return this.items.length;
    }

    clear() {
        this.items = [];
    }

    toArray() {
        return this.items;
    }

    toString() {
        return this.items.toString();
    }
}复制代码

接下来我们创建一个stackdemo.js的文件，引入我们的stack-array.js文件，我们一起来实践下如何使用我们创建好的StackArray类，代码如下：

import StackArray from 'stack-array.js';
const stack = new StackArray();

// using WeakMap to store Stack items we ensure true privacy
// console.log(Object.getOwnPropertyNames(stack));
// console.log(Object.keys(stack));
// console.log(stack.items);

console.log('stack.isEmpty() => ', stack.isEmpty()); // outputs true

stack.push(5);
stack.push(8);

console.log('stack after push 5 and 8 => ', stack.toString());

console.log('stack.peek() => ', stack.peek()); // outputs 8

stack.push(11);

console.log('stack.size() after push 11 => ', stack.size()); // outputs 3
console.log('stack.isEmpty() => ', stack.isEmpty()); // outputs false

stack.push(15);

stack.pop();
stack.pop();

console.log('stack.size() after push 15 and pop twice => ', stack.size()); // outputs 2复制代码

我们可以新建一个stackdemo.html，引入stackdemo.js(<script type="module" src="stackdemo.js"></script>)，打开stackdemo.html即可，堆栈的运行示意如下图所示：

执行push()方法后的效果：

执行pop()方法后的效果：

创建更高效的基于对象Stack类

上一小节我们基于数组快速实现了栈，我们清楚数组是有序数组，如果存储大数据，内容过多的话，长度过大的话，会消耗更多的计算机内存，算法的复杂度就会增加（O(n)，后面的文章将会介绍），为了解决这个问题，我们使用更原始的方法进行实现。首先我们在stack.js文件里声明stack类，代码如下：

class Stack {
    constructor() {
        this.count = 0;
        this.items = {};
    }
    // methods
} 复制代码

push()

在JS中，对象是一组键值对，我们可以将使用count变量作为items对象的键，元素是其值，添完新元素后，count变量加1，代码实现如下：

push(element) {
    this.items[this.count] = element;
    this.count++;
}复制代码

比如我们可以向空的栈里添加新元素5和8，代码如下：

const stack = new Stack();
stack.push(5);
stack.push(8);复制代码

如果输出Stack对象的items和count，效果如下：

items = {
    0: 5,
    1: 8
};
count = 2;复制代码

isEmpty()

判断栈是否空，我们只需要判断count变量是否为0即可，代码如下：

isEmpty() {
    return this.count === 0;
}复制代码

pop()

改写这个方法，我们首先需要验证堆栈是否为空，如果未空返回undefined，如果不为空，我们将变量count的值减1，同时删除对应的属性，代码如下：

pop() {
  if (this.isEmpty()) { 
    return undefined;
  }
  this.count--; 
  const result = this.items[this.count];
  delete this.items[this.count]; 
  return result; 
}复制代码

接下来我们改写其他的方法，完整代码如下：

export default class Stack {
  constructor() {
    this.count = 0;
    this.items = {};
  }

  push(element) {
    this.items[this.count] = element;
    this.count++;
  }

  pop() {
    if (this.isEmpty()) {
      return undefined;
    }
    this.count--;
    const result = this.items[this.count];
    delete this.items[this.count];
    return result;
  }

  peek() {
    if (this.isEmpty()) {
      return undefined;
    }
    return this.items[this.count - 1];
  }

  isEmpty() {
    return this.count === 0;
  }

  size() {
    return this.count;
  }

  clear() {
    /* while (!this.isEmpty()) {
        this.pop();
      } */
    this.items = {};
    this.count = 0;
  }

  toString() {
    if (this.isEmpty()) {
      return '';
    }
    let objString = `${this.items[0]}`;
    for (let i = 1; i < this.count; i++) {
      objString = `${objString},${this.items[i]}`;
    }
    return objString;
  }
}复制代码

虽然我们类完成了，大家是不是觉得有点问题，由于我们创建的类的属性对于任何开发人员都是公开的，我们希望只能在栈顶添加元素，不希望在其他位置添加元素，但是我们在Stack类中声明的items和count属性不受保护，这是JS的规则问题，难道我们没有办法改变了吗？答案是可以，我们可以ES6加入的新类型Symbol数据类型作为对象的属性具有私有性的特点（关于Symbol数据类型，笔者的这篇文章有过介绍 《【ES6基础】Symbol介绍：独一无二的值》 ），改写基于stack-array.js版本的代码，代码如下：

const _items = Symbol('stackItems');

class Stack {
    constructor() {
        this[_items] = [];
    }

    push(element) {
        this[_items].push(element);
    }

    pop() {
        return this[_items].pop();
    }

    peek() {
        return this[_items][this[_items].length - 1];
    }

    isEmpty() {
        return this[_items].length === 0;
    }

    size() {
        return this[_items].length;
    }

    clear() {
        this[_items] = [];
    }

    print() {
        console.log(this.toString());
    }

    toString() {
        return this[_items].toString();
    }
}

const stack = new Stack();
const objectSymbols = Object.getOwnPropertySymbols(stack);
console.log(objectSymbols.length); // 1
console.log(objectSymbols); // [Symbol()]
console.log(objectSymbols[0]); // Symbol()
stack[objectSymbols[0]].push(1);
stack.print(); // 5, 8, 1复制代码

实际应用举例

堆栈在实际的问题中有着各种各样的运用，比如我们会经常使用各种软件的撤销操作功能，尤其是 Java 和C#编程语言使用堆栈来变量存储和方法调用，并且可以抛出堆栈溢出异常，尤其是在使用递归算法时。接下来，我们亲自动手实现个10进制转2进制的功能。

我们已经熟悉十进制。 然而，二进制表示在计算机科学中非常重要，因为计算机中的所有内容都由二进制数字（0和1）表示。 如果没有在十进制和二进制数之间来回转换的能力，与计算机进行通信将会十分困难。要将10进制转换成2进制，我们需要将要转换数字除以2，再将结果除以2，如此循环直到结果为0为止，具体示意如图所示：

基于上图逻辑释义，完成的功能代码如下：

function decimalToBinary(decNumber) {
        const remStack = new Stack();
        let number = decNumber;
        let rem;
        let binaryString = '';

        while (number > 0) {
            rem = Math.floor(number % 2); 
            remStack.push(rem); 
            number = Math.floor(number / 2); 
        }

        while (!remStack.isEmpty()) { 
            binaryString += remStack.pop().toString();
        }

        return binaryString;
    }复制代码

从上述代码我们定义了一个堆栈，使用循环处理待处理的数字，将取模的余数推入堆栈，然后逐个弹出，拼接成字符串进行输出。接着我们测试下，十进制转二进制是否符合预期，如下段测试代码：

console.log(decimalToBinary(233)); // 11101001
console.log(decimalToBinary(10)); // 1010
console.log(decimalToBinary(1000)); // 1111101000”复制代码

练习题

刚才我们实践了十进制转二进制，为了让其更有通用性，因为在实际应用中，不仅仅有二进制的转换需求，比如还有8进制、16进制等，现在笔者要给大家留作业了，实现函数baseConverter(decNumber, base)，第一参数是要转换的10进制数，第二个参数是需要转换的进制，让其具备10进制数任意转换成2~36进制的需求，欢迎大家在留言区贴代码。

小节

本篇文章，我们了解了什么是数据结构，并深入学习了堆栈这个数据结构，以及如何用JS代码实现堆栈，并讲解了不同的实现方式，同时了解栈在计算机领域的应用，并一起实践了一个十进制数转二进制的练习，接下来本系列文章，笔者将带着大家一起深入学习和堆栈类似的队列结构，唯一不同的就是先进先出（FIFO）。

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【ES6基础】箭头函数（Arrow functions）

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【ES6基础】Map与WeakMap

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