TypeScript 实战算法系列(一):实现数组栈与对象栈

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TypeScript 实战算法系列(一):实现数组栈与对象栈

本文由图雀社区认证作者 神奇的程序员 写作而成,图雀社区将连载其TypeScript 实战算法系列,点击阅读原文查看作者的掘金链接,感谢作者的优质输出,让我们的技术世界变得更加美好😆

前言

栈作为一种数据结构,它可以应用在很多地方,当你需要经常获取刚存放进去的数据时,那么栈这种数据结构将是你的首选。
栈的实现方式一般有两种:数组实现和对象实现,这两种实现方式最终实现的功能都是一样的,但是在性能上却有着很大的差别。
本文将详细讲解这两种实现方式的差异并用TypeScript将其实现,欢迎各位感兴趣的开发者阅读本文。

数组实现栈

本文讲解的是栈用代码的实现,如果对栈这种数据结构还不是很了解的话,可以移步我的另一篇文章:栈与队列

实现思路

栈的核心思想为后进先出(LIFO),那么我们可以用数组来描述栈。
接下来,我们来看下,一个栈都需要具备哪些功能:

  • 入栈,添加一个新元素至栈顶( 数组的末尾)。

  • 出栈,将栈顶的元素移除并返回被移除的元素。

  • 获取栈顶元素,获取当前栈顶元素返回。

  • 判断栈是否为空,判断栈( 数组)内是否有数据。

  • 清空栈,移除栈内所有的元素。

  • 获取栈大小,返回栈里的元素个数。

  • 输出栈内数据,将栈中的所有元素以字符串的形式返回。

我们分析完栈都需要具备哪些功能后,发现数组中提供了很多现成的API可以实现上述功能,接下来,跟大家分享下上述功能的实现思路。

  • 入栈( push),可以使用数组的push方法直接往数组的末尾添加元素。

  • 出栈( pop),可以使用数组的pop方法直接移除栈中的元素,该方法会返回当前被移除的元素。

  • 栈顶元素( peek),可以通过数组的长度-1获取到数组中的最后一个元素。

  • 栈是否为空( isEmpty),可以通过判断数组的长度是否为0来实现。

  • 清空栈( clear),可以将数组直接赋值为空或者调用出栈方法直至栈中的数据为空。

  • 栈大小( size),可以返回数组的长度。

  • 输出栈内数据,可以调用数组的toString方法将数组转换为字符串。

实现代码

有了实现思路后,我们就可以将上述实现思路转换为代码了。

  • 新建一个Stack.ts文件

  • 定义栈并规定其类型

    private items: any[];

  • 在构造器中初始化栈

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

  • 根据实现思路实现栈中的函数

    // 入栈 push(item:any) { this.items.push(item); } // 出栈 pop() { return this.items.pop(); } // 返回栈顶元素 peek() { return this.items[this.items.length - 1]; } // 判断栈是否为空 isEmpty() { return this.items.length === 0; } // 清空栈栈内元素 clear() { this.items = []; } // 获取栈内元素数量 size():number{ return this.items.length; } // 将栈内元素转为字符串 toString(){ return this.items.toString(); }

完整代码请移步:Stack.ts

编写测试代码

上述代码我们实现了一个栈,接下来我们往栈中添加几条数据,测试栈内的方法是否正确执行。

  • 新建一个StackTest.js文件

  • 实例化一个栈

    const stack = new Stack();

  • 测试栈内方法是否正确执行

    // 入栈stack.push("第一条数据");stack.push("第二条数据");// 出栈stack.pop();// 返回栈顶元素console.log(stack.peek());// 查看栈大小console.log(stack.size());// 判断栈是否为空console.log(stack.isEmpty());// 返回栈内所有元素console.log(stack.toString())// 清空栈stack.clear()

完整代码请移步:StackTest.js
执行结果如下
TypeScript 实战算法系列(一):实现数组栈与对象栈

对象实现栈

实现一个栈最简单的方式是通过数组存储每一个元素。在处理大量数据时,我们需要评估如何操作数据是最高效的。
在使用数组时,大部分方法的时间复杂度都为O(n),我们需要迭代整个数组直至找到目标元素,在最坏的情况下我们需要迭代数组的每一个位置。数组是元素的一个有序集合,为了保证元素排列有序,它会占用更多的内存空间。
如果我们可以直接获取元素,占用更少的内存空间,并且仍然保证所有元素都按照我们的需要进行排列,就属于最优解决方案了。

实现代码

我们可以使用一个对象来存储所有的栈元素,保证它们的顺序并且遵循LIFO原则。接下来我们来看看如何使用对象来实现栈。

  • 新建一个ObjStack.ts文件

  • 定义栈对象结构

    interface StackObj { [propName: number] : any;}

  • 定义栈并规定其类型,count用于记录栈的大小。

    private items: StackObj;private count: number;

  • 在构造器中初始化栈相关变量

    this.items = {};this.count = 0;

  • 入栈,当前栈的大小为新元素的key。

    push(item: any) { this.items[this.count] = item; this.count++;}

  • 出栈,当前栈大小-1,取出栈顶元素,删除栈顶元素,返回取出的栈顶元素

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

  • 返回栈顶元素,以当前栈大小-1为key获取其对应的value值。

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

  • 判断栈是否为空,清空栈内元素,获取栈内元素数量

    // 判断栈是否为空isEmpty() { return this.count === 0; }// 清空栈内元素clear() { this.items = []; this.count = 0;}// 获取栈内元素数量size():number{ return this.count;}

  • 将栈内元素转为字符串,遍历当前栈对象中的数据,将栈中的数据用逗号拼接并返回。

    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;}

完整代码请移步:ObjStack.ts

编写测试代码

上述代码我们用对象实现了一个栈,接下来我们往栈中添加几条数据,测试栈内的方法是否正确执行。

  • 新建一个StackObjTest.js文件

  • 实例化一个栈

    const stack = new ObjStack();

  • 测试栈内方法是否正确执行

    // 入栈stack.push("第一条数据");stack.push("第二条数据");// 出栈stack.pop();// 返回栈顶元素console.log(stack.peek());// 查看栈大小console.log(stack.size());// 判断栈是否为空console.log(stack.isEmpty());// 返回栈内所有元素console.log(stack.toString())// 清空栈stack.clear()

完整代码请移步:StackObjTest.js
执行结果如下
TypeScript 实战算法系列(一):实现数组栈与对象栈

二者的区别

数组大部分方法的时间复杂度都为O(n),数组中的元素是一个有序集合,为了保证元素排列有序,它会占用更多的内存空间。
对象可以通过key直接访问到目标元素时间复杂度为O(1),我们可以直接目标元素进行操作,速度明显比数组快了很多倍。
接下来,我们通过一个实例来看看这两者在执行速度上的差异。

十进制转二进制

把十进制转为二进制,需要将该十进制除以2并对商取整,直到结果是0为止。

  • 声明一个函数参数为一个十进制数

    const decimalToBinaryStack = function (decNumber) {}

  • 函数内部声明一个变量,用于接收当前传进来的参数进行除法运算后得到的值。

    // 传进来的十进制数let number = decNumber;

  • 函数内部实例化一个栈,用于保存模运算后得出的值。

  • 函数内部声明两个变量,用户保存当前模运算的值和最终生成的二进制字符串

    // 余数let rem;// 二进制结果let binaryString = "";

  • while循环,判断当前参数进行除法运算后得到的值是否为0,如果不为0就对当前结果进行模运算,将模运算得到的值入栈,对当前结果进行除法运算,直至当前结果为0。

    while (number > 0) { // 模运算 rem = Math.floor(number % 2); // 将余数入栈 stack.push(rem); // 当前十进制结果除以二 number = Math.floor(number / 2);}

  • while循环,将栈中的数据取出拼接到二进制结果字符串中去

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

  • 返回二进制结果字符串

    return binaryString;

完整代码请移步:Examples.js

实现代码如上所述,唯一不同的就是一个使用的是对象栈一个使用的数组栈,接下来我们来看下不同栈的运行时间差距。TypeScript 实战算法系列(一):实现数组栈与对象栈

写在最后

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