栈、堆、队列深刻理解，面试无忧
1、前言
三者都属于数据结构，做为专业的技术人员来讲，理解数据结构是不可或缺的一部分。在平常的面试中，可能会遇到栈、堆、队列等一系列问题。 html
- Event Loop的执行栈、任务队列。
- 变量存储的堆、栈问题。
- 栈、队列数据结构的实现问题。
- 栈、堆、队列是什么？
- 还有一些列相关的手写问题。
在面试中，常常问遇到与之相关的一些列问题哈。java
2、栈
2.1 简介
栈 是一种遵循 后进先出（LIFO） 原则的有序集合。新添加和待删除的数据都保存在栈的同一端栈顶，另外一端就是栈底。新元素靠近栈顶，旧元素靠近栈底。 栈由编译器自动分配释放。栈使用一级缓存。调用时处于存储空间，调用完毕自动释放。git
举个栗子：乒乓球盒子/搭建积木程序员
2.2 基本数据结构的存储（存储栈）
javaScript中，数据类型分为基本数据类型和引用数据类型，基本数据类型包含：string、number、boolean、undefined、null、symbol、bigint这几种。在内存中这几种数据类型存储在栈空间，咱们按值访问。原型类型都存储在栈内存中，是大小固定而且有序的。es6
2.3 执行栈（函数调用栈）
咱们知道了基本数据结构的存储以后，咱们再来看看JavaScript中如何经过栈来管理多个执行上下文。面试
- 程序执行进入一个执行环境时，它的执行上下文就会被建立，并被推入执行栈中(入栈)。
- 程序执行完成时，它的执行上下文就会被销毁，并从栈顶被推出(出栈)，控制权交由下一个执行上下文。
JavaScript中每个可执行代码，在解释执行前，都会建立一个可执行上下文。按照可执行代码块可分为三种可执行上下文。 算法
- 全局可执行上下文：每个程序都有一个全局可执行代码，而且只有一个。任何不在函数内部的代码都在全局执行上下文。
- 函数可执行上下文：每当一个函数被调用时, 都会为该函数建立一个新的上下文。每一个函数都被调用时都会建立它本身的执行上下文。
- Eval可执行上下文：Eval也有本身执行上下文。
由于JS执行中最早进入全局环境，因此处于"栈底的永远是全局环境的执行上下文"。而处于"栈顶的是当前正在执行函数的执行上下文"，当函数调用完成后，它就会从栈顶被推出（理想的状况下，闭包会阻止该操做，闭包后续文章深刻详解）。编程
"全局环境只有一个，对应的全局执行上下文也只有一个，只有当页面被关闭以后它才会从执行栈中被推出，不然一直存在于栈底"浏览器
看个例子：缓存
let name = '蜗牛';
function sayName(name) {
sayNameStart(name);
}
function sayNameStart(name) {
sayNameEnd(name);
}
function sayNameEnd(name) {
console.log(name);
}
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当代码进行时声明：
2.4 建立一个栈(实现栈方法）
咱们须要本身建立一个栈，而且这个栈包含一些方法。
- push(element(s)):添加一个（或多个）新元素到栈顶
- pop():删除栈顶的元素，并返回该元素
- peek():返回栈顶的元素，不对栈作任何操做
- isEmpty():检查栈是否为空
- size():返回栈的元素个数
- clear():清空栈
function Stack() {
let items = [];
this.push = function(element) {
items.push(element);
};
this.pop = function() {
let s = items.pop();
return s;
};
this.peek = function() {
return items[items.length - 1];
};
this.isEmpty = function() {
return items.length == 0;
};
this.size = function() {
return items.length;
};
this.clear = function() {
items = [];
}
}
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可是这样的方式在建立多个实例的时候为建立多个items的副本。就不太合适了。 用ES如何6实现Stack类了。能够用WeakMap实现，并保证属性是私有的。
let Stack = (function() {
const items = new WeakMap();
class Stack {
constructor() {
items.set(this, []);
}
getItems() {
let s = items.get(this);
return s;
}
push(element) {
this.getItems().push(element);
}
pop() {
return this.getItems().pop();
}
peek() {
return this.getItems()[this.getItems.length - 1];
}
isEmpty() {
return this.getItems().length == 0;
}
size() {
return this.getItems().length;
}
clear() {
this.getItems() = [];
}
}
return Stack;
})();
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2.5 使用栈解决问题
栈能够解决十进制转为二进制的问题、任意进制转换的问题、平衡园括号问题、汉罗塔问题。
// 例子十进制转二进制问题
function divideBy2(decNumber) {
var remStack = new Stack(),
rem,
binaryString = '';
while (decNumber > 0) {
rem = Math.floor(decNumber % 2);
remStack.push(rem);
decNumber = Math.floor(decNumber / 2);
}
while(!remStack.isEmpty()) {
binaryString += remStack.pop().toString();
}
return binaryString;
}
// 任意进制转换的算法
function baseConverter(decNumber, base) {
var remStack = new Stack(),
rem,
binaryString = '',
digits = '0123456789ABCDEF';
while (decNumber > 0) {
rem = Math.floor(decNumber % base);
remStack.push(rem);
decNumber = Math.floor(decNumber / base);
}
while(!remStack.isEmpty()) {
binaryString += digits[remStack.pop()].toString();
}
return binaryString;
}
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2.6 栈溢出问题
2.6.1 栈大小限制
不一样浏览器对调用栈的大小是有限制，超过将出现栈溢出的问题。下面这段代码能够检验不用浏览器对调用栈的大小限制。
var i = 0;
function recursiveFn () {
i++;
recursiveFn();
}
try {
recursiveFn();
} catch (ex) {
console.log(`个人最大调用栈 i = ${i} errorMsg = ${ex}`);
}
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谷歌浏览器：
2.6.2 递归调用的栈溢出问题
function Fibonacci (n) {
if ( n <= 1 ) {return 1};
return Fibonacci(n - 1) + Fibonacci(n - 2);
}
Fibonacci(10) // 89
Fibonacci(100) // 超时
Fibonacci(500) // 超时
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上面代码是一个阶乘函数，计算n的阶乘，最多须要保存n个调用记录，复杂度 O(n) 。若是超出限制，会出现栈溢出问题。
2.6.3 尾递归调用优化
递归很是耗费内存，由于须要同时保存成千上百个调用帧，很容易发生“栈溢出”错误（stack overflow）。但对于尾递归来讲，因为只存在一个调用帧，因此永远不会发生“栈溢出”错误。
function Fibonacci2 (n , ac1 = 1 , ac2 = 1) {
if( n <= 1 ) {return ac2};
return Fibonacci2 (n - 1, ac2, ac1 + ac2);
}
Fibonacci2(100) // 573147844013817200000
Fibonacci2(1000) // 7.0330367711422765e+208
Fibonacci2(10000) // Infinity
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因而可知，“尾调用优化”对递归操做意义重大，因此一些函数式编程语言将其写入了语言规格。ES6 亦是如此，第一次明确规定，全部 ECMAScript 的实现，都必须部署“尾调用优化”。这就是说，ES6 中只要使用尾递归，就不会发生栈溢出（或者层层递归形成的超时），相对节省内存。
2.6.4 为何这个例子里尾递归占用的栈内存也会随着参数增长呢
列子来源：ECMAScript 6 入门
3、堆
3.1 简介
堆，通常由操做人员（程序员）分配释放，若操做人员不分配释放，将由OS回收释放。分配方式相似链表。堆存储在二级缓存中。
3.2 堆内存
JavaScript 的数据类型除了原始类型，还有一类是 Object 类型，它包含：
- Object
- Function
- Array
- Date
- RegExp
Object 类型都存储在堆内存中，是大小不定，复杂可变的。 Object 类型数据的 指针 存储在栈内存空间， 指针实际指向的值存储在堆内存空间。
3.3 为何会有堆内存、栈内存之分
一般与垃圾回收机制有关。为了使程序运行时占用的内存最小。
当一个方法执行时，每一个方法都会创建本身的内存栈，在这个方法内定义的变量将会逐个放入这块栈内存里，随着方法的执行结束，这个方法的内存栈也将天然销毁了。所以，全部在方法中定义的变量都是放在栈内存中的；
当咱们在程序中建立一个对象时，这个对象将被保存到运行时数据区中，以便反复利用（由于对象的建立成本一般较大），这个运行时数据区就是堆内存。堆内存中的对象不会随方法的结束而销毁，即便方法结束后，这个对象还可能被另外一个引用变量所引用（方法的参数传递时很常见），则这个对象依然不会被销毁，只有当一个对象没有任何引用变量引用它时，系统的垃圾回收机制才会在核实的时候回收它。
4、队列
4.1 简介
队列遵循FIFO，先进先出原则的一组有序集合。队列在尾部添加元素，在顶部删除元素。在现实中最多见的队列就是排队。先排队的先服务。（请你们文明排队，不要插队。）
4.2 任务队列
JavaScript是单线程，单线程任务被分为同步任务和异步任务。同步任务在调用栈中等待主线程依次执行，异步任务会在有告终果以后，将回调函数注册到任务队列，等待主线程空闲（调用栈为空），放入执行栈等待主线程执行。
Event loop执行以下图，任务队列只是其中的一部分。
执行栈在执行完同步任务以后，若是执行栈为空，就会去检查微任务（MicroTask）队列是否为空，若是为空的话，就会去执行宏任务队列（MacroTask）。不然就会一次性执行完全部的微任务队列。 每次一个宏任务执行完成以后，都会去检查微任务队列是否为空，若是不为空就会按照先进先出的方式执行完微任务队列。而后在执行下一个宏任务，如此循环执行。直到结束。
4.3 建立一个队列(实现队列方法）
实现包含如下方法的Queue类
- enqueue(element(s)):向队列尾部添加一个（或多个）元素。
- dequeue():移除队列的第一项，并返回移除的元素。
- front():返回队列的第一个元素--最早被添加，最早被移除的元素。
- isEmpty():判断队列是否为空。
- size():返回队列的长度。
// 队列Queue类简单实现
function Queue() {
let items = [];
// 添加元素
this.enqueue = function(element) {
items.push(element);
};
// 删除元素
this.dequeue = function() {
return items.shift();
};
// 返回队列第一个元素
this.front = function() {
return items[0];
};
// 判断队列是否为空
this.isEmpty = function() {
return items.length === 0;
};
// 返回队列长度
this.size = function() {
return items.length;
};
}
复制代码
ES6语法实现Queue队列类，利用WeakMap来保存私有属性items,并用外层函数（闭包）来封装Queue类。
let Queue1 = (function() {
const items = new WeakMap();
class Queue1 {
constructor() {
items.set(this, []);
}
// 获取队列
getQueue() {
return items.get(this);
}
// 添加元素
enqueue (element) {
this.getQueue().push(element);
}
// 删除元素
dequeue() {
return this.getQueue().shift();
}
// 返回队列第一个元素
front() {
return this.getQueue()[0];
}
// 判断队列是否为空
isEmpty() {
return this.getQueue().length === 0;
}
// 返回队列长度
size() {
return this.getQueue().length;
}
}
return Queue1;
})();
复制代码
4.4 优先队列
元素的添加和删除基于优先级。常见的就是机场的登机顺序。头等舱和商务舱的优先级高于经济舱。实现优先队列，设置优先级。
// 优先列队
function PriorityQueue() {
let items = [];
// 建立元素和它的优先级（priority越大优先级越低）
function QueueElement(element, priority) {
this.element = element;
this.priority = priority;
}
// 添加元素（根据优先级添加）
this.enqueue = function(element, priority) {
let queueElement = new QueueElement(element, priority);
// 标记是否添加元素的优先级的值最大
let added = false;
for (let i = 0; i < items.length; i++) {
if (queueElement.priority < items[i].priority) {
items.splice(i, 0, queueElement);
added = true;
break;
}
}
if (!added) {
items.push(queueElement);
}
};
// 删除元素
this.dequeue = function() {
return items.shift();
};
// 返回队列第一个元素
this.front = function() {
return items[0];
};
// 判断队列是否为空
this.isEmpty = function() {
return items.length === 0;
};
// 返回队列长度
this.size = function() {
return items.length
};
// 打印队列
this.print = function() {
for (let i = 0; i < items.length; i++) {
console.log(`${items[i].element} - ${items[i].priority}`);
}
};
}
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4.5 循环队列（击鼓传花）
// 循环队列（击鼓传花）
function hotPotato(nameList, num) {
let queue = new Queue(); //{1} // 构造函数为4.3建立
for(let i =0; i< nameList.length; i++) {
queue.enqueue(nameList[i]); // {2}
}
let eliminted = '';
while(queue.size() > 1) {
// 把队列num以前的项按照优先级添加到队列的后面
for(let i = 0; i < num; i++) {
queue.enqueue(queue.dequeue()); // {3}
}
eliminted = queue.dequeue(); // {4}
console.log(eliminted + '在击鼓传花游戏中被淘汰');
}
return queue.dequeue(); // {5}
}
let names = ['John', 'Jack', 'Camila', 'Ingrid', 'Carl'];
let winner = hotPotato(names, 7);
console.log('获胜者是：' + winner);
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- 利用队列类，建立一个队列。
- 把当前玩击鼓传花游戏的全部人都放进队列。
- 给定一个数字，迭代队列，从队列的开头移除一项，添加到队列的尾部（如游戏就是：你把花传给旁边的人，你就能够安全了）。
- 一旦迭代次数到达，那么这时拿着花的这我的就会被淘汰。
- 最后剩下一我的，这我的就是胜利者。
参考来源：
- 1. 栈、堆、队列深刻理解，面试无忧
- 2. 深刻理解Java的栈与堆栈
- 3. 堆，堆栈(栈),队列
- 4. 栈，队列，堆
- 5. 深刻理解TAILQ队列
- 6. 深刻理解任务堆栈以及堆栈溢出
- 7. 【IT笔试面试题整理】堆栈和队列
- 8. 队列和堆栈
- 9. 堆、栈和队列
- 10. 堆栈和队列
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