Swift 算法实战之路：栈和队列

原文出处：  故胤道长（@故胤道长）   

这期的内容有点剑走偏锋，我们来讨论一下栈和队列。Swift语言中没有内设的栈和队列，很多扩展库中使用Generic Type来实现栈或是队列。笔者觉得最实用的实现方法是使用数组，本期主要内容有：

• 栈和队列的基本Swift实现，以及在iOS开发中应用的实例
• Facebook栈相关面试题一道
• 栈和队列的互相实现及其思想

实现

对于栈来说，我们需要了解以下几点：

• 栈是后进先出的结构。你可以理解成有好几个盘子要垒成一叠，哪个盘子最后叠上去，下次使用的时候它就最先被抽出去。
• 在iOS开发中，如果你要在你的App中添加撤销操作（比如删除图片，恢复删除图片），那么栈是首选数据结构
• 无论在面试还是写App中，只关注栈的这几个基本操作：push, pop, isEmpty, peek, size。
  
  Objective-C

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  class Stack {    var stack : [ AnyObject ]     init ( ) {      stack = [ AnyObject ] ( )    }      func push ( object : AnyObject ) {      stack . append ( object )    }      func pop ( ) -> AnyObject ? {      if ! isEmpty ( ) {        return stack . removeLast ( )      } else {        return nil      }    }      func isEmpty ( ) -> Bool {      return stack . isEmpty    }      func peek ( ) -> AnyObject ? {      return stack . last    }      func size ( ) -> Int {      return stack . count    } }

  
  对于队列来说，我们需要了解以下几点：
• 队列是先进先出的结构。这个正好就像现实生活中排队买票，谁先来排队，谁先买到票。
• iOS开发中多线程的GCD和NSOperationQueue就是基于队列实现的。
• 关于队列我们只关注这几个操作：enqueue, dequeue, isEmpty, peek, size。

Objective-C

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class Queue {    var queue : [ AnyObject ]     init ( ) {      queue = [ AnyObject ] ( )    }      func enqueue ( object : AnyObject ) {      queue . append ( object )    }      func dequeue ( ) -> AnyObject ? {      if ! isEmpty ( ) {        return queue . removeFirst ( )      } else {        return nil      }    }      func isEmpty ( ) -> Bool {      return queue . isEmpty    }      func peek ( ) -> AnyObject ? {      return queue . first    }      func size ( ) -> Int {      return queue . count    } }

实战

下面是Facebook一道真实的面试题。

Objective-C

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Given an absolute path for a file ( Unix - style ) , simplify it . For example , path = "/home/" , = > "/home" path = "/a/./b/../../c/" , = > "/c"

这道题目一看，这不就是我们平常在terminal里面敲的cd啊pwd之类的吗，好熟悉啊。

根据常识，我们知道以下规则：

• . 代表当前路径。比如 /a/. 实际上就是 /a，无论输入多少个 . 都返回当前目录
• ..代表上一级目录。比如 /a/b/.. 实际上就是 /a，也就是说先进入a目录，再进入其下的b目录，再返回b目录的上一层，也就是a目录。

然后针对以上信息，我们可以得出以下思路：

1. 首先输入是个 String，代表路径。输出要求也是 String, 同样代表路径。
2. 我们可以把 input 根据 “/” 符号去拆分，比如 “/a/b/./../d/” 就拆成了一个String数组[“a”, “b”, “.”, “..”, “d”]
3. 创立一个栈然后遍历拆分后的 String 数组，对于一般 String ，直接加入到栈中，对于 “..” 那我们就对栈做pop操作，其他情况不错处理

思路有了，代码也就有了

Objective-C

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func simplifyPath ( path : String ) -> String {    var res = ""    // 用数组来实现栈的功能    var stack = [ String ] ( )    // 拆分原路径    let paths = path . characters . split { $ 0 == "/" } . map ( String . init )      for path in paths {      // 注意要trim处理头尾空格的情况，Swift 3.0语法在trim上会更简洁      var path = path . stringByTrimmingCharactersInSet ( NSCharacterSet . whitespaceCharacterSet ( ) )      // 对于 "." 我们直接跳过              guard path != "." else {        continue      }      // 对于 ".." 我们使用pop操作              if path == ".."    {        if ( stack . count > 0 ) {          stack . removeLast ( )        }      // 对于太注意空数组的特殊情况      } else if path . characters . count > 0 {        stack . append ( path )      }    }    // 将栈中的内容转化为优化后的新路径          for str in stack {      res += "/"      res += str    }      // 注意空路径的结果是 "/"          return res . isEmpty ? "/" : res }

上面代码除了完成了基本思路，还考虑了大量的特殊情况、异常情况。这也是硅谷面试考察的一个方面：面试者思路的严谨和代码的风格规范。
队列会在以后讲树遍历和图的广度优先遍历时大放异彩，所以本期队列先按下不表。

转化

处理栈和队列问题，最经典的一个思路就是使用两个栈/队列来解决问题。也就是说在原栈/队列的基础上，我们用一个协助栈/队列来帮助我们简化算法，这是一种空间换时间的思路。比如

用栈来实现队列

Objective-C

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class MyQueue {    var stackA : Stack    var stackB : Stack      init ( ) {      stackA = Stack ( )      stackB = Stack ( )    }      func enqueue ( object : AnyObject ) {      stackA . push ( object ) ;    }      func dequeue ( ) -> AnyObject ? {      _shift ( )      return stackB . pop ( ) ;    }      func peek ( ) -> AnyObject ? {      _shift ( ) ;      return stackB . peek ( ) ;    }      func isEmpty ( ) -> Bool {      return stackA . isEmpty ( ) && stackB . isEmpty ( ) ;    }      func size ( ) -> Int {      return stackA . size ( ) + stackB . size ( )    }      private func _shift ( ) {      if stackB . isEmpty ( ) {        while ! stackA . isEmpty ( ) {          stackB . push ( stackA . pop ( ) ! ) ;        }      }    } }

用队列实现栈

Objective-C

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class MyStack {    var queueA : Queue    var queueB : Queue      init ( ) {      queueA = Queue ( )      queueB = Queue ( )    }      func push ( object : AnyObject ) {      queueA . enqueue ( object )    }      func pop ( ) -> AnyObject ? {      _shift ( )      let popObject = queueA . dequeue ( )      _swap ( )      return popObject    }      func isEmpty ( ) -> Bool {      return queueA . isEmpty ( )    }      func peek ( ) -> AnyObject ? {      _shift ( )      let peekObject = queueA . peek ( )      queueB . enqueue ( queueA . dequeue ( ) ! )      _swap ( )        return peekObject    }      func size ( ) -> Int {      return queueA . size ( )    }      private func _shift ( ) {      while queueA . size ( ) != 1 {        queueB . enqueue ( queueA . dequeue ( ) ! )      }    }      private func _swap ( ) {      let temp = queueB      queueB = queueA      queueA = temp    } }

上面两种实现方法都是使用两个相同的数据结构，然后将元素由其中一个转向另一个，从而形成一种完全不同的数据。

总结

Swift中栈和队列是比较特殊的数据结构，个人认为最实用的实现方法是利用数组。虽然它们本身比较抽象，却是很多复杂数据结构和iOS开发中的功能模块的基础。这也是一个工程师进阶之路理应熟练掌握的两种数据结构。