重读《学习JavaScript数据结构与算法-第三版》- 第4章 栈

定场诗

金山竹影几千秋，云索高飞水自流；
万里长江飘玉带，一轮银月滚金球。
远自湖北三千里，近到江南十六州；
美景一时观不透，天缘有分画中游。

前言

本章是重读《学习JavaScript数据结构与算法-第三版》的系列文章，本章为各位小伙伴分享数据结构-栈的故事，请让胡哥带你走进栈的世界

栈

何为栈？栈是一种遵从后进先出（LIFO）原则的有序集合。

新添加或待删除的元素都保存在栈的同一端，称作栈顶；另一端就叫栈底。

在栈里，新元素都靠近栈顶，旧元素都接近栈底。

基于数组的栈

我们将创建一个基于数组的栈，了解栈的结构、运行规则

/**
 * 基于数组array的栈Stack
 * @author huxiaoshuai
 */
class Stack {
  // 初始化
  constructor () {
    this.items = []
  }
}

使用数组保存栈里的元素

数组允许我们在任何位置添加和删除元素，那基于栈遵循LIFO原则，我们对元素的插入和删除功能进行封装

方法	描述
push(element(s))	添加一个（或多个）新元素到栈顶
pop()	移除栈顶元素，同时返回被移除的元素
peek()	返回栈顶的元素，不对栈做任何修改
isEmpty()	判断栈是否为空，为空则返回true，否则返回false
clear()	移除栈的所有元素
size()	返回栈的元素个数

代码实现

class Stack {
  // 初始化
  constructor () {
    this.items = []
  }

  /**
   * push() 添加元素到栈顶
   */
  push (element) {
    this.items.push(element)
  }

  /**
   * pop() 移除栈顶元素并返回
   */
  pop () {
    return this.items.pop()
  }

  /**
   * peek() 返回栈顶部元素
   */
  peek () {
    return this.items[this.items.length - 1]
  }

  /***
   * isEmpty() 检测栈是否为空
   */
  isEmpty () {
    return this.items.length === 0
  }

  /**
   * size() 返回栈的长度
   */
  size () {
    return this.items.length
  }

  /**
   * clear() 清空栈元素
   */
  clear () {
    this.items = []
  }
}

使用Stack类

const stack = new Stack()

console.log(stack.isEmpty()) // true

// 添加元素
stack.push(5)
stack.push(8)

// 输出元素
console.log(stack.peek()) // 8

stack.push(11)
console.log(stack.size()) // 3
console.log(stack.isEmpty()) // false

stack.push(15)

基于以上栈操作的示意图

stack.pop()
stack.pop()
console.log(stack.size()) // 2

基于以上栈操作的示意图

基于对象的栈

创建一个Stack类最简单的方式是使用一个数组来存储元素。在处理大量数据的时候，我们同样需要评估如何操作数据是最高效的。

使用数组时，大部分方法的时间复杂度是O(n)。简单理解：O(n)的意思为我们需要迭代整个数组直到找到要找的那个元素，在最坏的情况下需要迭代数组的所有位置，其中的n代表数组的长度。数组越长，所需时间会更长。另外，数组是元素的一个有序集合，为保证元素的有序排列，会占用更多的内存空间。

使用JavaScript对象来存储所有的栈元素，以实现可以直接获取元素，同时占用较少的内存空间，同时保证所有的元素按照我们的需要进行排列，遵循后进先出（LIFO）原则。

代码实现

/**
 * 基于对象的Stack类
 * @author huxiaoshai
 */
class Stack {
  // 初始化
  constructor () {
    this.items = {}
    this.count = 0
  }

  /**
   * push() 向栈中添加元素
   */
  push (element) {
    this.items[this.count] = element
    this.count++
  }

  /**
   * isEmpty() 判断是否为空
   */
  isEmpty () {
    return this.count === 0
  }

  /**
   * size() 返回栈的长度
   */
  size () {
    return this.count
  }

  /**
   * pop() 栈顶移除元素并返回
   */
  pop () {
    if (this.isEmpty()) {
      return undefined
    }
    this.count--
    let result = this.items[this.count]
    delete this.items[this.count]
    return result
  }

  /**
   * peek() 返回栈顶元素，如果为空则返回undefined
   */
  peek () {
    if (this.isEmpty()) {
      return undefined
    }
    return this.items[this.count - 1]
  }

  /**
   * clear() 清空栈数据
   */
  clear () {
    this.items = {}
    this.count = 0
  }

  /**
   * toString() 实现类似于数组结构打印栈内容
   */
  toString () {
    if (this.isEmpty()) {
      return ''
    }
    let objStr = `${this.items[0]}`
    for (let i = 1; i < this.count; i++) {
      objStr = `${objStr},${this.items[i]}`
    }
    return objStr
  }
}

保护数据结构内部元素

私有属性

有时候我们需要创建供其他开发者使用的数据结构和对象时，我们希望保存内部元素，只有使用允许的方法才能修改内部结构。很不幸，目前JS是没有办法直接声明私有属性的，目前业内主要使用一下几种方式实现私有属性。

1. 下划线命名约定

   class Stack {
     constructor () {
       this._items = {}
       this._count = 0
     }
   }
   

   这只是约定，一种规范，并不能实际保护数据

2. 基于ES6的限定作用域Symbol实现类

   const _items = Symbol('stackItems')
   class Stack {
     constructor () {
       this[_items] = []
     }
   }
   

   假的私有属性，ES6新增的Object.getOwnPropertySymbols方法能够获取类里面声明的所有Symbols属性

3. 基于ES6的WeakMap实现类

   /**
    * 使用WeekMap实现类的私有属性
    */
   const items = new WeakMap()
   console.log(items) // WeakMap { [items unknown] }
   
   class Stack {
     constructor () {
       items.set(this, [])
     }
   
     push (element) {
       const s = items.get(this)
       s.push(element)
     }
   
     pop () {
       const s = items.get(this)
       const r = s.pop()
       return r
     }
   
     toString () {
       const s = items.get(this)
       return s.toString()
     }
   }
   
   const stack = new Stack()
   stack.push(1)
   stack.push(2)
   stack.push(3)
   
   console.log(stack.toString()) // 1,2,3
   console.log(stack.items) // undefined
   

   使用该方式，items是Stack类里的私有属性，但是此种方式代码的可读性不强，而且在扩展该类时无法继承私有属性。

4. ECMAScript类属性提案

   有一个关于JavaScript类中增加私有属性的提案。通过在属性前添加井号(#)作为前缀来声明私有属性。

class Stack {
  #count = 0
  #items = []
}

使用栈来解决问题

栈的实际应用非常广泛。在回溯问题中，它可以存储访问过的任务或路径、撤销的操作（后续会在讨论图和回溯问题时进一步详细讲解）。栈的使用场景有很多，如汉诺塔问题、平衡圆括号、计算机科学问题：十进制转二进制问题

/**
 * decimalToBinary() 实现十进制转二进制的算法
 */
function decimalToBinary (decNumber) {
  // 实例化栈数据结构
  const remStack = new Stack()
  let number = decNumber
  let rem;
  let binaryString = ''

  // 依次将获取的二进制数压入栈中
  while (number > 0) {
    rem = Math.floor(number % 2)
    remStack.push(rem)
    number = Math.floor(number / 2)
  }
  // 拼接要输出的二进制字符串
  while (!remStack.isEmpty()) {
    binaryString += remStack.pop().toString()
  }
  return binaryString
}

console.log(decimalToBinary(10)) // 1010
console.log(decimalToBinary(23)) // 10111

后记

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