数据结构(三)之栈结构

2018-03-25 本文已影响738人 coderwhy

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栈也是一种非常常见的数据结构, 并且在程序中的应用非常广泛.

一. 认识栈结构

我们先来简单认识一下栈结构, 它的特点和应用场景等.

栈结构

数组
- 我们知道数组是一种线性结构, 并且可以在数组的任意位置插入和删除数据.
- 但是有时候, 我们为了实现某些功能, 必须对这种任意性加以限制.
- 而栈和队列就是比较常见的受限的线性结构, 我们先来学习栈结构.
栈（stack），它是一种运算受限的线性表,后进先出(LIFO)
- LIFO(last in first out)表示就是后进入的元素, 第一个弹出栈空间. 类似于自动餐托盘, 最后放上的托盘, 往往先把拿出去使用.
- 其限制是仅允许在表的一端进行插入和删除运算。这一端被称为栈顶，相对地，把另一端称为栈底。
- 向一个栈插入新元素又称作进栈、入栈或压栈，它是把新元素放到栈顶元素的上面，使之成为新的栈顶元素；
- 从一个栈删除元素又称作出栈或退栈，它是把栈顶元素删除掉，使其相邻的元素成为新的栈顶元素。
生活中类似于栈的
- 自助餐的托盘, 最新放上去的, 最先被客人拿走使用.
- 收到很多的邮件(实体的), 从上往下依次处理这些邮件. (最新到的邮件, 最先处理)
- 注意: 不允许改变邮件的次序, 比如从最小开始, 或者处于最紧急的邮件, 否则就不再是栈结构了. 而是队列或者优先级队列结构.
栈结构的图解
img

程序中什么是使用栈实现的呢?
- 学了这么久的编程, 是否听说过, 函数调用栈呢?
- 我们知道函数之间和相互调用: A调用B, B中又调用C, C中又调用D.
- 那样在执行的过程中, 会先将A压入栈, A没有执行完, 所有不会弹出栈.
- 在A执行的过程中调用了B, 会将B压入到栈, 这个时候B在栈顶, A在栈底.
- 如果这个时候B可以执行完, 那么B会弹出栈. 但是B有执行完吗? 没有, 它调用了C.
- 所以C会压栈, 并且在栈顶. 而C调用了D, D会压入到栈顶.
- 所以当前的栈顺序是: 栈顶A->B->C->D栈顶
- D执行完, 弹出栈. C/B/A依次弹出栈.
- 所以我们有函数调用栈的称呼, 就来自于它们内部的实现机制. (通过栈来实现的)
函数调用栈图解:
img

栈面试题

面试题目:
img
题目答案: C
- A答案: 65进栈, 5出栈, 4进栈出栈, 3进栈出栈, 6出栈, 21进栈,1出栈, 2出栈
- B答案: 654进栈, 4出栈, 5出栈, 3进栈出栈, 2进栈出栈, 1进栈出栈, 6出栈
- D答案: 65432进栈, 2出栈, 3出栈, 4出栈, 1进栈出栈, 5出栈, 6出栈

二. 栈结构实现

我们来实现一个类, 用于模拟栈中的操作.

栈的创建

我们先来创建一个栈的类, 用于封装栈相关的操作

// 栈类
function Stack() {
    // 栈中的属性
    var items = []
    
    // 栈相关的方法
}

代码解析:
- 我们创建了一个Stack构造函数, 用户创建栈的类.
- 在构造函数中, 定义了一个变量, 这个变量可以用于保存当前栈对象中所有的元素.
- 这个变量是一个数组类型. 我们之后无论是压栈操作还是出栈操作, 都是从数组中添加和删除元素.
- 栈有一些相关的操作方法, 通常无论是什么语言, 操作都是比较类似的.

栈的操作

栈常见有哪些操作呢?
- push(element): 添加一个新元素到栈顶位置.
- pop()：移除栈顶的元素，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（这个方法不会移除栈顶的元素，仅仅返回它）。
- isEmpty()：如果栈里没有任何元素就返回true，否则返回false。
- clear()：移除栈里的所有元素。
- size()：返回栈里的元素个数。这个方法和数组的length属性很类似。
现在我们来实现这些方法:
push方法
- 注意: 我们的实现是将最新的元素放在了数组的末尾, 那么数组末尾的元素就是我们的栈顶元素
```
// 压栈操作
this.push = function (element) {
    items.push(element)
}
```
pop方法
- 注意: 出栈操作应该是将栈顶的元素删除, 并且返回.
- 因此, 我们这里直接从数组中删除最后一个元素, 并且将该元素返回就可以了
```
// 出栈操作
this.pop = function (element) {
    return items.pop()
}
```
peek方法
- peek方法是一个比较常见的方法, 主要目的是看一眼栈顶的元素.
- 注意: 和pop不同, peek仅仅的瞥一眼栈顶的元素, 并不需要将这个元素从栈顶弹出.
```
// peek操作
this.peek = function () {
    return items[items.length - 1]
}
```
isEmpty方法
- isEmpty方法用户判断栈中是否有元素.
- 实现起来非常简单, 直接判断数组中的元素个数是为0, 为0返回true, 否则返回false
```
// 判断栈中的元素是否为空
this.isEmpty = function () {
    return items.length == 0
}
```
size方法
- size方法是获取栈中元素的个数.
- 因为我们使用的是数组来作为栈的底层实现的, 所以直接获取数组的长度即可.(也可以使用链表作为栈的顶层实现)
```
// 获取栈中元素的个数
this.size = function () {
    return items.length
}
```

完整代码

下面我们给出自定义栈的完整代码:

注意: 这里我们为了将属性方法放在一起, 没有使用原型来封装方法.

// 栈类
function Stack() {
    // 栈中的属性
    var items = []

    // 栈相关的方法
    // 压栈操作
    this.push = function (element) {
        items.push(element)
    }

    // 出栈操作
    this.pop = function () {
        return items.pop()
    }

    // peek操作
    this.peek = function () {
        return items[items.length - 1]
    }

    // 判断栈中的元素是否为空
    this.isEmpty = function () {
        return items.length == 0
    }

    // 获取栈中元素的个数
    this.size = function () {
        return items.length
    }
}

栈的使用

我们来使用封装的栈, 模拟刚才的面试题

我们做了一下A, 其他大家可以自己练习一下.
C是无法使用栈来模拟的, 因为不正确的是C

// 模拟面试题
var stack = new Stack()

// 情况下代码模拟
stack.push(6)
stack.push(5)
stack.pop()     // 5
stack.push(4)
stack.pop()     // 4
stack.push(3)
stack.pop()     // 3
stack.pop()     // 6
stack.push(2)
stack.push(1)
stack.pop()     // 1
stack.pop()     // 2

三. 栈结构应用

我们已经学会了如何使用Stack类，现在就用它解决一些计算机科学中的问题。

十进制转二进制

为什么需要十进制转二进制?
- 现实生活中，我们主要使用十进制。
- 但在计算科学中，二进制非常重要，因为计算机里的所有内容都是用二进制数字表示的（0和1）。
- 没有十进制和二进制相互转化的能力，与计算机交流就很困难。
如何实现十进制转二进制?
- 要把十进制转化成二进制，我们可以将该十进制数字和2整除（二进制是满二进一），直到结果是0为止。
- 举个例子，把十进制的数字10转化成二进制的数字，过程大概是这样：
  img

如果我们希望使用代码来实现这个功能呢?

// 封装十进制转二进制的函数
function dec2bin(decNumer) {
    // 定义变量
    var stack = new Stack()
    var remainder;

    // 循环除法
    while (decNumer > 0) {
        remainder = decNumer % 2
        decNumer = Math.floor(decNumer / 2)
        stack.push(remainder)
    }

    // 将数据取出
    var binayriStrng = ""
    while (!stack.isEmpty()) {
        binayriStrng += stack.pop()
    }
    return binayriStrng
}

测试代码:

// 测试函数
alert(dec2bin(10))
alert(dec2bin(233))
alert(dec2bin(1000))

数据结构(三)之栈结构

一. 认识栈结构

栈结构

栈面试题

二. 栈结构实现

栈的创建

栈的操作

完整代码

栈的使用

三. 栈结构应用

十进制转二进制

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