数据结构之php实现栈

thinkabel 的个人博客 / 0 / 2 / 创建于 4年前 / 更新于 4年前

在上一次的文章中, 我们介绍了数组, 在讲解数组的过程中, 也提到了一点, 就是数组是线性结构。在今天的文章里，栈也是属于线性结构，我们先看下定义。

一、概念

那什么是栈呢? 我们一起来看下定义:

堆栈（英语：stack）又称为栈或堆叠，是计算机科学中的一种抽象资料类型，只允许在有序的线性资料集合的一端（称为堆栈顶端，英语：top）进行加入数据（英语：push）和移除数据（英语：pop）的运算。因而按照后进先出（LIFO, Last In First Out）的原理运作。

维基百科

栈是一种先进先出的线性数据结构（FIFO), 在计算机的世界里, 栈拥有着不可思议的作用。比如我们在编写文章时, 作图时, 写代码时等等, 所使用的的 Undo (撤销) 操作, 就是使用这种数据结构进行实现的。先来看下栈在计算机中是什么“模样”.

(栈的结构图)

二、栈的应用

无处不在的 Undo 操作
比如我现在输入沉迷学习无法自拔这几个词, 我输入学习, 这个动作就会被编译机器中的栈给记录下来。这个时候我想输入，无法，不小心打错了，输入了 “无非是”，这个动作同样会被栈记录下来 – 入栈，在你意识到自己打错了，想撤销这个操作的时候，这个时候，打错的这个“无非是”就会被栈 “出栈”。我们看下流程图

程序调用的系统栈
还有在我们写代码的时候，经常会遇到，当前方法，访问另一个方法的情况，那程序是怎么知道跳转方法执行完了之后，该回到哪个方法呢？我们一起来看下流程图。

刚开始，进入 A 方法，程序往下执行，开始访问B方法，这个时候是在方法 A 的第二行执行B方法的，这是将 A2 压入栈中，然后执行 B 方法，在 B 方法中，又执行了 C 方法，这时候，将 B2 压入栈中。

程序 C 执行完后，访问栈顶的元素，是 B2，这时返回 B 方法中的第二行继续执行，B2 进行出栈，直至程序执行完毕

三、代码实现

ArrayStructure.php

<?php

class ArrayStructure
{
    // 数组实际元素
    private $size = 0;

    // 数组的容量大小
    private $capacity = 0;

    // 用于存放数据
    private $data = [];

    /**
     * ArrayStruct constructor.
     *
     * @param int $capacity 数组容量大小
     */
    public function __construct($capacity = 10)
    {
        $this->capacity = $capacity;
    }

    /**
     * Notes: 获取数组实际元素个数
     * Author: PhpStorm
     * Date: 2021/1/8 0008
     * Time: 15:12
     *
     * @return int
     */
    public function getSize(): int
    {
        return $this->size;

    }

    /**
     * Notes: 扩容
     * User: think abel
     * Date: 2021/1/10 0010
     * Time: 17:08
     *
     * @param $factor
     */
    protected function resize($factor)
    {
        $this->capacity = $factor * $this->capacity;

    }

    /**
     * Notes: 获取数组的容量
     * Author: PhpStorm
     * Date: 2021/1/8 0008
     * Time: 15:14
     *
     * @return int
     */
    public function getCapacity(): int
    {
        return $this->capacity;

    }

    /**
     * Notes: 数组是否为空
     * Author: PhpStorm
     * Date: 2021/1/8 0008
     * Time: 15:16
     *
     * @return bool
     */
    public function isEmpty(): bool
    {
        return $this->size === 0;

    }

    /**
     * Notes: 往数组指定位置插入数据
     * Author: PhpStorm
     * Date: 2021/1/8 0008
     * Time: 15:27
     *
     * @param int $index 需要插入的下标/索引
     * @param int $ele   需要插入的元素
     */
    public function add(int $index, $ele): void
    {
        // 如果当前的实际大小 等于 当前容量, 则不可以进行插入
        try {
            if ($this->size === $this->capacity) {
                throw new Exception("添加失败, Array 已经到达最大容量");
            }

            if ($index < 0 || $index > $this->size) {
                throw new Exception("添加失败, index require >= 0 and <= " . $this->size);
            }

            /**
             * 从最后一个元素开始进行遍历, 直到下标 为 当前输入的 下标, 终止
             * 每次将当前遍历的数值 往后 移动一位
             */
            for ($i = $this->size - 1; $i >= $index; $i --) {
                $this->data[$i + 1] = $this->data[$i];
            }

            // 目前当前下标还是存在之前的元素, 因为当前元素已经移动到后面一位, 所以直接覆盖就好
            $this->data[$index] = $ele;

            // 维护当前实际大小
            $this->size ++;
        }
        catch (Exception $e) {
            echo $e->getMessage();
        }

    }

    /**
     * Notes: 向所有元素后添加一个元素
     * Author: PhpStorm
     * Date: 2021/1/8 0008
     * Time: 15:19
     */
    public function addLast($element): void
    {
        $this->add($this->size, $element);

    }

    /**
     * Notes: 向第一位添加一个元素
     * Author: PhpStorm
     * Date: 2021/1/8 0008
     * Time: 15:19
     */
    public function addFirst(int $element): void
    {
        $this->add(0, $element);

    }

    /**
     * Notes: 数组转字符串
     * Author: PhpStorm
     * Date: 2021/1/8 0008
     * Time: 15:50
     *
     * @return string
     */
    public function toString(): string
    {
        $str = 'Array: size = ' . $this->size . ',' . 'capacity = ' . $this->capacity . PHP_EOL;
        $str .= '[';
        for ($i = 0; $i < $this->size; $i ++) {
            $str .= $this->data[$i];
            if ($i != $this->size - 1) {
                $str .= ',';
            }
        }

        $str .= ']';
        return $str . PHP_EOL;

    }

    /**
     * Notes: 获取指定下标位置的元素
     * Author: PhpStorm
     * Date: 2021/1/8 0008
     * Time: 16:13
     *
     * @param int $index
     *
     * @return int
     */
    public function get($index)
    {
        try {
            if ($index < 0 || $index >= $this->size) {
                throw new Exception("获取失败, index require >= 0 and < " . $this->size);
            }

            return $this->data[$index];
        }
        catch (Exception $e) {
            return $e->getMessage();
        }

    }

    /**
     * Notes: 获取最后一个
     * User: think abel
     * Date: 2021/1/10 0010
     * Time: 15:48
     *
     * @return int
     */
    public function getLast()
    {
        return $this->get($this->size - 1);
    }

    /**
     * Notes: 获取第一个
     * User: think abel
     * Date: 2021/1/10 0010
     * Time: 15:48
     *
     * @return int
     */
    public function getFirst()
    {
        return $this->get(0);
    }

    /**
     * Notes: 修改指定下标位置的元素为 ele
     * User: think abel
     * Date: 2021/1/9 0009
     * Time: 12:04
     *
     * @param int $index
     * @param int $ele
     *
     * @return string
     */
    public function set(int $index, int $ele)
    {
        try {
            if ($index < 0 || $index >= $this->size) {
                throw new Exception("获取失败, index require >= 0 and < " . $this->size);
            }

            $this->data[$index] = $ele;
        }
        catch (Exception $e) {
            return $e->getMessage();
        }

    }

    /**
     * Notes: 删除指定位置上的元素
     * Author: PhpStorm
     * Date: 2021/1/8 0008
     * Time: 16:19
     *
     * @param int $index
     *
     * @return int|string
     */
    public function remove(int $index): int
    {
        try {
            if ($index < 0 || $index >= $this->size) {
                throw new Exception("移除失败, index require >= 0 and < " . $this->size);
            }

            $return = $this->data[$index];

            for ($i = $index + 1; $i < $this->size; $i ++) {
                $this->data[$i - 1] = $this->data[$i];
            }

            $this->size --;
            return $return;
        }
        catch (Exception $e) {
            return $e->getMessage();
        }

    }

    /**
     * Notes: 删除第一个
     * Author: PhpStorm
     * Date: 2021/1/8 0008
     * Time: 16:39
     *
     * @return int
     */
    public function removeFirst(): int
    {
        try {
            return $this->remove(0);
        }
        catch (Exception $e) {
            return $e->getMessage();
        }

    }

    /**
     * Notes: 删除最后一个
     * Author: PhpStorm
     * Date: 2021/1/8 0008
     * Time: 16:39
     *
     * @return int
     */
    public function removeLast()
    {
        try {
            return $this->remove($this->size - 1);
        }
        catch (Exception $e) {
            return $e->getMessage();
        }

    }

    /**
     * Notes: 如果有元素, 就删除
     * Author: PhpStorm
     * Date: 2021/1/8 0008
     * Time: 16:44
     *
     * @param int $ele
     *
     * @return bool
     */
    public function removeElement(int $ele): bool
    {
        $index = $this->find($ele);
        if ($index != - 1) {
            $this->remove($index);
        }

    }

    /**
     * Notes: 是否包含元素
     * Author: PhpStorm
     * Date: 2021/1/8 0008
     * Time: 16:22
     *
     * @param int $ele
     *
     * @return bool
     */
    public function contains(int $ele): bool
    {
        for ($i = 0; $i < $this->size; $i ++) {
            if ($this->data[$i] == $ele) {
                return true;
            }
        }

        return false;

    }

    /**
     * Notes: 获取当前元素的索引
     * Author: PhpStorm
     * Date: 2021/1/8 0008
     * Time: 16:22
     *
     * @param int $ele
     *
     * @return int
     */
    public function find(int $ele): int
    {
        for ($i = 0; $i < $this->size; $i ++) {
            if ($this->data[$i] == $ele) {
                return $i;
            }
        }

        return - 1;

    }
}

Stack.php

interface Stack
{
    public function getSize();
    public function isEmpty();
    public function push($element);
    public function pop();
    public function top();
 }

ArrayStack.php

<?php
/**
 * Created by : PhpStorm
 * User: think abel
 * Date: 2021/1/10 0010
 * Time: 15:33
 */
include 'Stack.php';
include 'ArrayStructure.php';

class ArrayStack implements Stack
{
    private $array;

    public function __construct(int $capacity = 10)
    {
        $this->array = new ArrayStructure($capacity);
    }

    public function getSize()
    {
        return $this->array->getSize();
    }

    public function isEmpty()
    {
        return $this->array->isEmpty();
    }

    public function getCapacity()
    {
        return $this->array->getCapacity();
    }

    public function push($element)
    {
        $this->array->addLast($element);
    }

    public function pop()
    {
        return $this->array->removeLast();
    }

    public function top()
    {
        return $this->array->getLast();
    }

    public function toString(): string
    {
        $str = "Stack: [";

        for ($i = 0; $i < $this->array->getSize(); $i ++) {
            $str .= $this->array->get($i);
            if ($i != $this->array->getSize() - 1) {
                $str .= ", ";
            }
        }

        $str .= "] top";
        return $str;
    }
}

四、简单复杂度分析

O: 描述是算法的运行时间和输入数据之间的关系 — 程序运行时间和数数据成线性关系 O(n)

ArrayStack
push(e)      O(1) // 如果是触发了扩容, 通过均摊复杂度来分析的话,依然是O(1)
pop()        O(1) // 如果是触发了扩容, 通过均摊复杂度来分析的话,依然是O(1)
top()        O(1)
getSize()    O(1)
isEmpty(1)   O(1)