【数据结构基础】栈简介（使用ES6）

栏目: JavaScript · 发布时间: 5年前

内容简介：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本篇文章笔者将从数据结构最基础的结构

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：

push(element(s)): 此方法将新添加的元素添加至堆栈的顶部
pop():此方法删除栈顶的元素，同时返回已删除的元素
peek(): 返回堆栈的顶部元素
isEmpty(): 判断堆栈是否为空，如果为空，返回True, 否则返回False。
clear(): 清空堆栈所有的元素。
size(): 此方法返回堆栈元素的数量，类似数组的长度。
toArray(): 以数组的形式返回堆栈的元素。
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。