8种常见数据结构及其Javascript实现

显示全部楼层 · 2019-8-13 19:26:11

择要： 面试常问的知识点啊...

原文：常见数据结构和Javascript实现总结
作者：MudOnTire

Fundebug经授权转载，版权归原作者所有。
做前端的同学不少都是自学成才或者半路出家，计算机基础的知识比较薄弱，尤其是数据结构和算法这块，所以今天整理了一下常见的数据结构和对应的Javascript的实现，希望能帮助大家完善这方面的知识体系。
1. Stack（栈）

Stack的特点是后进先出（last in first out）。生活中常见的Stack的例子比如一摞书，你最后放上去的那本你之后会最先拿走；又比如浏览器的访问历史，当点击返回按钮，最后访问的网站最先从历史记录中弹出。
Stack一般具备以下方法：

push：将一个元素推入栈顶
pop：移除栈顶元素，并返回被移除的元素
peek：返回栈顶元素
length：返回栈中元素的个数

Javascript的Array天生具备了Stack的特性，但我们也可以从头实现一个 Stack类：

function Stack() { this.count = 0; this.storage = {}; this.push = function (value) { this.storage[this.count] = value; this.count++; } this.pop = function () { if (this.count === 0) { return undefined; } this.count--; var result = this.storage[this.count]; delete this.storage[this.count]; return result; } this.peek = function () { return this.storage[this.count - 1]; } this.size = function () { return this.count; }}

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2. Queue（队列）

Queue和Stack有一些类似，不同的是Stack是先进后出，而Queue是先进先出。Queue在生活中的例子比如列队上公交，排在第一个的总是最先上车；又比如打印机的打印队列，排在前面的最先打印。
Queue一般具有以下常见方法：

enqueue：入列，向队列尾部增加一个元素
dequeue：出列，移除队列头部的一个元素并返回被移除的元素
front：获取队列的第一个元素
isEmpty：判断队列是否为空
size：获取队列中元素的个数

Javascript中的Array已经具备了Queue的一些特性，所以我们可以借助Array实现一个Queue类型：

function Queue() { var collection = []; this.print = function () { console.log(collection); } this.enqueue = function (element) { collection.push(element); } this.dequeue = function () { return collection.shift(); } this.front = function () { return collection[0]; } this.isEmpty = function () { return collection.length === 0; } this.size = function () { return collection.length; }}

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Priority Queue（优先队列）

Queue还有个升级版本，给每个元素赋予优先级，优先级高的元素入列时将排到低优先级元素之前。区别重要是enqueue方法的实现：

function PriorityQueue() { ... this.enqueue = function (element) { if (this.isEmpty()) { collection.push(element); } else { var added = false; for (var i = 0; i < collection.length; i++) { if (element[1] < collection[i][1]) { collection.splice(i, 0, element); added = true; break; } } if (!added) { collection.push(element); } } }}

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测试一下：

var pQ = new PriorityQueue();pQ.enqueue(['gannicus', 3]);pQ.enqueue(['spartacus', 1]);pQ.enqueue(['crixus', 2]);pQ.enqueue(['oenomaus', 4]);pQ.print();

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结果：

[ [ 'spartacus', 1 ], [ 'crixus', 2 ], [ 'gannicus', 3 ], [ 'oenomaus', 4 ]]

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3. Linked List（链表）

顾名思义，链表是一种链式数据结构，链上的每个节点包含两种信息：节点本身的数据和指向下一个节点的指针。链表和传统的数组都是线性的数据结构，存储的都是一个序列的数据，但也有很多区别，如下表：
比较维度数组链表内存分配静态内存分配，编译时分配且连续动态内存分配，运行时分配且不连续元素获取通过Index获取，速度较快通过遍历顺序访问，速度较慢添加删除元素因为内存位置连续且固定，速度较慢因为内存分配灵活，只有一个开销步骤，速度更快空间结构可以是一维或者多维数组可以是单向、双向或者循环链表一个单向链表通常具有以下方法：

size：返回链表中节点的个数
head：返回链表中的头部元素
add：向链表尾部增加一个节点
remove：删除某个节点
indexOf：返回某个节点的index
elementAt：返回某个index处的节点
addAt：在某个index处插入一个节点
removeAt：删除某个index处的节点

单向链表的Javascript实现：

/** * 链表中的节点 */function Node(element) { // 节点中的数据 this.element = element; // 指向下一个节点的指针 this.next = null;}function LinkedList() { var length = 0; var head = null; this.size = function () { return length; } this.head = function () { return head; } this.add = function (element) { var node = new Node(element); if (head == null) { head = node; } else { var currentNode = head; while (currentNode.next) { currentNode = currentNode.next; } currentNode.next = node; } length++; } this.remove = function (element) { var currentNode = head; var previousNode; if (currentNode.element === element) { head = currentNode.next; } else { while (currentNode.element !== element) { previousNode = currentNode; currentNode = currentNode.next; } previousNode.next = currentNode.next; } length--; } this.isEmpty = function () { return length === 0; } this.indexOf = function (element) { var currentNode = head; var index = -1; while (currentNode) { index++; if (currentNode.element === element) { return index; } currentNode = currentNode.next; } return -1; } this.elementAt = function (index) { var currentNode = head; var count = 0; while (count < index) { count++; currentNode = currentNode.next; } return currentNode.element; } this.addAt = function (index, element) { var node = new Node(element); var currentNode = head; var previousNode; var currentIndex = 0; if (index > length) { return false; } if (index === 0) { node.next = currentNode; head = node; } else { while (currentIndex < index) { currentIndex++; previousNode = currentNode; currentNode = currentNode.next; } node.next = currentNode; previousNode.next = node; } length++; } this.removeAt = function (index) { var currentNode = head; var previousNode; var currentIndex = 0; if (index < 0 || index >= length) { return null; } if (index === 0) { head = currentIndex.next; } else { while (currentIndex < index) { currentIndex++; previousNode = currentNode; currentNode = currentNode.next; } previousNode.next = currentNode.next; } length--; return currentNode.element; }}

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4. Set（集合）

集合是数学中的一个基本概念，表示具有某种特性的对象汇总成的团体。在ES6中也引入了集合类型Set，Set和Array有一定水平的相似，不同的是Set中不允许出现重复的元素而且是无序的。
一个典型的Set应该具有以下方法：

values：返回集合中的所有元素
size：返回集合中元素的个数
has：判断集合中是否存在某个元素
add：向集合中添加元素
remove：从集合中移除某个元素
union：返回两个集合的并集
intersection：返回两个集合的交集
difference：返回两个集合的差集
subset：判断一个集合是否为另一个集合的子集

使用Javascript可以将Set进行如下实现，为了区别于ES6中的Set命名为MySet：

function MySet() { var collection = []; this.has = function (element) { return (collection.indexOf(element) !== -1); } this.values = function () { return collection; } this.size = function () { return collection.length; } this.add = function (element) { if (!this.has(element)) { collection.push(element); return true; } return false; } this.remove = function (element) { if (this.has(element)) { index = collection.indexOf(element); collection.splice(index, 1); return true; } return false; } this.union = function (otherSet) { var unionSet = new MySet(); var firstSet = this.values(); var secondSet = otherSet.values(); firstSet.forEach(function (e) { unionSet.add(e); }); secondSet.forEach(function (e) { unionSet.add(e); }); return unionSet; } this.intersection = function (otherSet) { var intersectionSet = new MySet(); var firstSet = this.values(); firstSet.forEach(function (e) { if (otherSet.has(e)) { intersectionSet.add(e); } }); return intersectionSet; } this.difference = function (otherSet) { var differenceSet = new MySet(); var firstSet = this.values(); firstSet.forEach(function (e) { if (!otherSet.has(e)) { differenceSet.add(e); } }); return differenceSet; } this.subset = function (otherSet) { var firstSet = this.values(); return firstSet.every(function (value) { return otherSet.has(value); }); }}

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5. Hash Table（哈希表/散列表）

Hash Table是一种用于存储键值对（key value pair）的数据结构，因为Hash Table根据key查询value的速度很快，所以它常用于实现Map、Dictinary、Object等数据结构。如上图所示，Hash Table内部使用一个hash函数将传入的键转换成一串数字，而这串数字将作为键值对实际的key，通过这个key查询对应的value非常快，时间复杂度将达到O(1)。Hash函数要求相同输入对应的输出必须相等，而不同输入对应的输出必须不等，相当于对每对数据打上唯一的指纹。
一个Hash Table通常具有下列方法：

add：增加一组键值对
remove：删除一组键值对
lookup：查找一个键对应的值

一个简易版本的Hash Table的Javascript实现：

function hash(string, max) { var hash = 0; for (var i = 0; i < string.length; i++) { hash += string.charCodeAt(i); } return hash % max;}function HashTable() { let storage = []; const storageLimit = 4; this.add = function (key, value) { var index = hash(key, storageLimit); if (storage[index] === undefined) { storage[index] = [ [key, value] ]; } else { var inserted = false; for (var i = 0; i < storage[index].length; i++) { if (storage[index][i][0] === key) { storage[index][i][1] = value; inserted = true; } } if (inserted === false) { storage[index].push([key, value]); } } } this.remove = function (key) { var index = hash(key, storageLimit); if (storage[index].length === 1 && storage[index][0][0] === key) { delete storage[index]; } else { for (var i = 0; i < storage[index]; i++) { if (storage[index][i][0] === key) { delete storage[index][i]; } } } } this.lookup = function (key) { var index = hash(key, storageLimit); if (storage[index] === undefined) { return undefined; } else { for (var i = 0; i < storage[index].length; i++) { if (storage[index][i][0] === key) { return storage[index][i][1]; } } } }}

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6. Tree（树）

顾名思义，Tree的数据结构和自然界中的树极其相似，有根、树枝、叶子，如上图所示。Tree是一种多层数据结构，与Array、Stack、Queue相比是一种非线性的数据结构，在进行插入和搜刮操作时很高效。在描述一个Tree时经常会用到下列概念：

Root（根）：代表树的根节点，根节点没有父节点
Parent Node（父节点）：一个节点的直接上级节点，只有一个
Child Node（子节点）：一个节点的直接下级节点，可能有多个
Siblings（兄弟节点）：具有相同父节点的节点
Leaf（叶节点）：没有子节点的节点
Edge（边）：两个节点之间的连接线
Path（路径）：从源节点到目标节点的连续边
Height of Node（节点的高度）：表示节点与叶节点之间的最长路径上边的个数
Height of Tree（树的高度）：即根节点的高度
Depth of Node（节点的深度）：表示从根节点到该节点的边的个数
Degree of Node（节点的度）：表示子节点的个数

我们以二叉查找树为例，展示树在Javascript中的实现。在二叉查找树中，即每个节点最多只有两个子节点，而左侧子节点小于当前节点，而右侧子节点大于当前节点，如图所示：

一个二叉查找树应该具有以下常用方法：

add：向树中插入一个节点
findMin：查找树中最小的节点
findMax：查找树中最大的节点
find：查找树中的某个节点
isPresent：判断某个节点在树中是否存在
remove：移除树中的某个节点

以下是二叉查找树的Javascript实现：

class Node { constructor(data, left = null, right = null) { this.data = data; this.left = left; this.right = right; }}class BST { constructor() { this.root = null; } add(data) { const node = this.root; if (node === null) { this.root = new Node(data); return; } else { const searchTree = function (node) { if (data < node.data) { if (node.left === null) { node.left = new Node(data); return; } else if (node.left !== null) { return searchTree(node.left); } } else if (data > node.data) { if (node.right === null) { node.right = new Node(data); return; } else if (node.right !== null) { return searchTree(node.right); } } else { return null; } }; return searchTree(node); } } findMin() { let current = this.root; while (current.left !== null) { current = current.left; } return current.data; } findMax() { let current = this.root; while (current.right !== null) { current = current.right; } return current.data; } find(data) { let current = this.root; while (current.data !== data) { if (data < current.data) { current = current.left } else { current = current.right; } if (current === null) { return null; } } return current; } isPresent(data) { let current = this.root; while (current) { if (data === current.data) { return true; } if (data < current.data) { current = current.left; } else { current = current.right; } } return false; } remove(data) { const removeNode = function (node, data) { if (node == null) { return null; } if (data == node.data) { // node没有子节点 if (node.left == null && node.right == null) { return null; } // node没有左侧子节点 if (node.left == null) { return node.right; } // node没有右侧子节点 if (node.right == null) { return node.left; } // node有两个子节点 var tempNode = node.right; while (tempNode.left !== null) { tempNode = tempNode.left; } node.data = tempNode.data; node.right = removeNode(node.right, tempNode.data); return node; } else if (data < node.data) { node.left = removeNode(node.left, data); return node; } else { node.right = removeNode(node.right, data); return node; } } this.root = removeNode(this.root, data); }}

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测试一下：

const bst = new BST();bst.add(4);bst.add(2);bst.add(6);bst.add(1);bst.add(3);bst.add(5);bst.add(7);bst.remove(4);console.log(bst.findMin());console.log(bst.findMax());bst.remove(7);console.log(bst.findMax());console.log(bst.isPresent(4));

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打印结果：

176false

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7. Trie（字典树，读音同try）

Trie也可以叫做Prefix Tree（前缀树），也是一种搜刮树。Trie分步骤存储数据，树中的每个节点代表一个步骤，trie常用于存储单词以便快速查找，比如实现单词的自动完成功能。 Trie中的每个节点都包含一个单词的字母，跟着树的分支可以可以拼写出一个完备的单词，每个节点还包含一个布尔值表示该节点是否是单词的最后一个字母。
Trie一般有以下方法：

add：向字典树中增加一个单词
isWord：判断字典树中是否包含某个单词
print：返回字典树中的所有单词

/** * Trie的节点 */function Node() { this.keys = new Map(); this.end = false; this.setEnd = function () { this.end = true; }; this.isEnd = function () { return this.end; }}function Trie() { this.root = new Node(); this.add = function (input, node = this.root) { if (input.length === 0) { node.setEnd(); return; } else if (!node.keys.has(input[0])) { node.keys.set(input[0], new Node()); return this.add(input.substr(1), node.keys.get(input[0])); } else { return this.add(input.substr(1), node.keys.get(input[0])); } } this.isWord = function (word) { let node = this.root; while (word.length > 1) { if (!node.keys.has(word[0])) { return false; } else { node = node.keys.get(word[0]); word = word.substr(1); } } return (node.keys.has(word) && node.keys.get(word).isEnd()) ? true : false; } this.print = function () { let words = new Array(); let search = function (node = this.root, string) { if (node.keys.size != 0) { for (let letter of node.keys.keys()) { search(node.keys.get(letter), string.concat(letter)); } if (node.isEnd()) { words.push(string); } } else { string.length > 0 ? words.push(string) : undefined; return; } }; search(this.root, new String()); return words.length > 0 ? words : null; }}

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8. Graph（图）

Graph是节点（或顶点）以及它们之间的连接（或边）的集合。Graph也可以称为Network（网络）。根据节点之间的连接是否有方向又可以分为Directed Graph（有向图）和Undrected Graph（无向图）。Graph在实际生活中有很多用途，比如：导航软件计算最佳路径，社交软件进行好友推荐等等。
Graph通常有两种表达方式：
Adjaceny List（邻接列表）：

邻接列表可以表示为左侧是节点的列表，右侧列出它所连接的所有其他节点。
和 Adjacency Matrix（邻接矩阵）：

邻接矩阵用矩阵来表示节点之间的连接关系，每行或者每列表示一个节点，行和列的交叉处的数字表示节点之间的关系：0表示没用连接，1表示有连接，大于1表示不同的权重。
访问Graph中的节点需要使用遍历算法，遍历算法又分为广度优先和深度优先，重要用于确定目标节点和根节点之间的距离，
在Javascript中，Graph可以用一个矩阵（二维数组）表示，广度优先搜刮算法可以实现如下：

function bfs(graph, root) { var nodesLen = {}; for (var i = 0; i < graph.length; i++) { nodesLen[i] = Infinity; } nodesLen[root] = 0; var queue = [root]; var current; while (queue.length != 0) { current = queue.shift(); var curConnected = graph[current]; var neighborIdx = []; var idx = curConnected.indexOf(1); while (idx != -1) { neighborIdx.push(idx); idx = curConnected.indexOf(1, idx + 1); } for (var j = 0; j < neighborIdx.length; j++) { if (nodesLen[neighborIdx[j]] == Infinity) { nodesLen[neighborIdx[j]] = nodesLen[current] + 1; queue.push(neighborIdx[j]); } } } return nodesLen;}

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测试一下：

var graph = [ [0, 1, 1, 1, 0], [0, 0, 1, 0, 0], [1, 1, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 1, 0], [0, 1, 0, 0, 0]];console.log(bfs(graph, 1));

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打印：

{ 0: 2, 1: 0, 2: 1, 3: 3, 4: Infinity}

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最后，推荐大家使用Fundebug，一款很好用的BUG监控工具~

本文旨在向广大前端同学普及常见的数据结构，本人对这一范畴也只是初窥门径，说的有差池的地方欢迎指出。也希望大家能打牢基础，在这条路上走的更高更远！
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来源：https://www.cnblogs.com/fundebug/archive/2019/08/12/8-common-data-structure-and-javascript-implementation.html
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