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比较JavaScript中的数据结构(数组与对象)

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在编程中,如果你想继续深入,数据结构是我们必须要懂的一块, 学习/理解数据结构的动机可能会有所不同,一方面可能是为了面试,一方面可能单单是为了提高自己的技能或者是项目需要。无论动机是什么,如果不知道什么是数组结构及何时使用应用字们,那学数据结构是一项繁琐且无趣的过程 ?

这篇文章讨论了什么时候使用它们。在本文中,我们将学习数组和对象。我们将尝试通过使用Big O notation来理解何时选择一种数据结构。

Big O notation 大零符号一般用于描述算法的复杂程度,比如执行的时间或占用内存(磁盘)的空间等,特指最坏时的情形。

数组

数组是使用最广泛的数据结构之一。 数组中的数据以有序的方式进行结构化,即数组中的第一个元素存储在索引0中,第二个元素存储在索引1中,依此类推。 JavaScript为我们提供了一些内置的数据结构,数组就是其中之一 ?

在JavaScript中,定义数组最简单的方法是:

let arr = []

上面的代码行创建了一个动态数组(长度未知),为了了解如何将数组的元素存储在内存中,我们来看一个示例:

let arr = ['John', 'Lily', 'William', 'Cindy']

在上面的示例中,我们创建一个包含一些人名的数组。 内存中的名称按以下方式存储:

为了理解数组是如何工作的,我们需要执行一些操作:

添加元素:

在JavaScript数组中,我们有不同方式在数组结尾,开关以及特定索引处添加元素。

在数组的末尾添加一个元素:

JavaScript 中的数组有一个默认属性 length,它表示数组的长度。除了length属性外,JS还提供了 push() 方法。 使用这个方法,我们可以直接在最后添加一个元素。

arr.push('Jake')

那么这个命令的复杂度是多少呢?我们知道,在默认情况下,JS提供了length属性,push()相当于使用以下命令:

arr[arr.length - 1] = 'Jake'

因为我们总是可以访问数组的长度属性,所以无论数组有多大,在末尾添加一个元素的复杂度总是O(1) ?。

在数组的开头添加一个元素:

对于此操作,JavaScript提供了一个称为unshift()的默认方法,此方法将元素添加到数组的开头。

let arr = ['John', 'Lily', 'William', 'Cindy']
arr.unshift('Robert')
console.log(arr) // [ 'Robert', 'John', 'Lily', 'William', 'Cindy' ]

unshift方法复杂度好像和push方法的复杂度一样:O(1),因为我们只是在前面添加一个元素。 事实并非如此,让我们看一下使用unshift方法时会发生什么:

在上图中,当我们使用unshift方法时,所有元素的索引应该增加1。这里我们的数组个数比较少,看不出存在的问题。想象一下使用一个相当长的数组,然后,使用unshift这样的方法会导致延迟,因为我们必须移动数组中每个元素的索引。因此,unshift操作的复杂度为O(n) ?。

如果要处理较大长度的数组,请明智地使用unshift方法。在特定索引处添加元素,我们可以 splice() 方法,它的语法如下:

splice(startingIndex, deleteCount, elementToBeInserted)

因为我们要添加一个元素,所以deleteCount将为0。例如, 我们想要在数组索引为2的地方新加一个元素,可以这么用:

let arr = ['John', 'Lily', 'William', 'Cindy']
arr.splice(2, 0, 'Janice')
console.log(arr)
// [ 'John', 'Lily', 'Janice', 'William', 'Cindy' ]

你觉得这个操作的复杂性是多少?在上面的操作中,我们在索引2处添加了元素,因此,在索引2之后的所有后续元素都必须增加或移动1(包括之前在索引2处的元素)。

可以观察到,我们不是在移动或递增所有元素的索引,而是在索引2之后递增元素的索引。这是否意味着该操作的复杂度为 `O(n/2)? 不是 ?。 根据Big O规则,常量可以从复杂性中删除,而且,我们应该考虑最坏的情况。 因此,该操作的复杂度为O(n) ?。

删除元素:

就像添加元素一样,删除元素可以在不同的位置完成,在末尾、开始和特定索引处。

在数组的末尾删除一个元素:

push( )一样,JavaScript提供了一个默认方法pop(),用于删除/删除数组末尾的元素。

let arr = ['Janice', 'Gillian', 'Harvey', 'Tom']
arr.pop()
console.log(arr)
// [ 'Janice', 'Gillian', 'Harvey' ]

arr.pop()
console.log(arr)
// [ 'Janice', 'Gillian' ]

该操作的复杂度为O(1)。因为,无论数组有多大,删除最后一个元素都不需要改变数组中任何元素的索引。

在数组的开头删除一个元素:

JavaScript 提供了一个默认方法shift() 的默认方法,此方法删除数组的第一个元素。

let arr = ['John', 'Lily','William','Cindy']
arr.shift()
console.log(arr) // ['Lily','William','Cindy']
arr.shift()
console.log(arr);// ['William','Cindy'] 

从上面我们很容易可以看出 shift()操作的复杂度为O(n) ,因为删除第一个元素后,我们必须将所有元素的索引移位或减量1

在特定索引处删除:

对于此操作,我们再次使用splice()方法,不过这一次,我们只使用前两个参数,因为我们不打算在该索引处添加新元素。

let arr = ['Apple', 'Orange', 'Pear', 'Banana','Watermelon']
arr.splice(2,1)
console.log(arr) // ['Apple', 'Orange', 'Banana','Watermelon']

与用splice添加元素操作类似,在此操作中,我们将递减或移动索引2之后的元素索引,所以复杂度是O(n)

查找元素:

查找只是访问数组的一个元素,我们可以通过使用方括号符号(例如: arr[4])来访问数组的元素。

你认为这个操作的复杂性是什么? 我们通过一个例子来演示一下:

let fruits = ['Apple', 'Orange', 'Pear']

前面我们已经看到,数组的所有元素都按顺序存储,并且始终分组在一起。 因此,如果执行fruits[1],它将告诉计算机找到名为fruits的数组并获取第二个元素(数组从索引0开始)。

由于它们是按顺序存储的,因此计算机不必查看整个内存即可找到该元素,因为所有元素按顺序分组在一起,因此它可以直接在fruits数组内部查看。 因此,数组中的查找操作的复杂度为 O(1)

我们已经完成了对数组的基本操作,我们先来小结一下什么时候可以使用数组:

当你要执行像push()(在末尾添加元素)和pop()(从末尾删除元素)这样的操作时,数组是合适的,因为这些操作的复杂度是O(1)

除此之外,查找操作可以在数组中非常快地执行。

使用数组时,执行诸如在特定索引处或在开头添加/删除元素之类的操作可能会非常慢,因为它们的复杂度为O(n)

对象

像数组一样,对象也是最常用的数据结构之一。 对象是一种哈希表,允许我们存储键值对,而不是像在数组中看到的那样将值存储在编号索引处。

定义对象的最简单方法是:

let obj1 = {}

事例:

let student = {
    name: 'Vivek',
    age: 13,
    class: 8
}

来看一下上面的对象是如何存储在内存中的:

可以看到,对象的键-值对是随机存储的,不像数组中所有元素都存储在一起。这也是数组与对象的主要区别,在对象中,键-值对随机存储在内存中。

我们还看到有一个哈希函数(hash function)。 那么这个哈希函数做什么呢? 哈希函数从对象中获取每个键,并生成一个哈希值,然后将此哈希值转换为地址空间,在该地址空间中存储键值对。

例如,如果我们向学生对象添加以下键值对:

student.rollNumber = 322

rollNumber键通过哈希函数,然后转换为存储键和值的地址空间。现在我们已经对对象如何存储在内存有了基本的了解,让我们来执行一些操作。

添加

对于对象,我们没有单独的方法将元素添加到前面或后面,因为所有的键-值对都是随机存储的。只有一个操作是向对象添加一个新的键值对。

事例:

student.parentName = 'Narendra Singh Bisht'

从上图中我们可以得出结论,这个操作的复杂性总是O(1),因为我们不需要改变任何索引或操作对象本身,我们可以直接添加一个键-值对,它被存储在一个随机的地址空间。

删除

与添加元素一样,对象的删除操作非常简单,复杂度为O(1)。因为,我们不必在删除时更改或操作对象。

delete student.parentName

查找

查找的复杂度O(1) ,因为在这里,我们也只是借助键来访问值。访问对象中的值的一种方法:

student.class

在对象中添加,删除和查找的复杂度为O(1)???那么我们可以得出结论,我们应该每次都使用对象而不是数组吗? 答案是不。 尽管对象很棒,但是在使用对象时需要考虑一些小的情况,就是哈希碰撞(Hash Collisions)。 在使用对象时,并非始终应处理此情况,但了解该情况有助于我们更好地理解对象。

那么什么是哈希碰撞?

当我们定义一个对象时,我们的计算机会在内存中为该对象分配一些空间。 我们需要记住,我们内存中的空间是有限的,因此有可能两个或更多键值对可能具有相同的地址空间,这种情况称为哈希碰撞。 为了更好地理解它,我们看一个例子:

假设为下面的对象分配了5块空间

我们观察到两个键值对存储在相同的地址空间中。 怎么会这样?当哈希函数返回一个哈希值,该哈希值转换为多个键的相同地址空间时,就会发生这种情况。 因此,多个 key 被映射到相同的地址空间。 由于哈希碰撞,添加和访问对象值的复杂度为O(n) ,因为要访问特定值,我们可能必须遍历各种键值对。

哈希碰撞并不是我们每次使用对象时都需要处理的东西。 这只是一个特殊的情况,该情况也说明了对象不是完美的数据结构。

除了*哈希碰撞,使用对象时还必须注意另一种情况。 JS 为我们提供了一个内置的keys()方法,用于遍历对象的键。

我们可以将此方法应用于任何对象,例如:object1.keys()keys()方法遍历对象并返回所有键。 尽管此方法看起来很简单,但我们需要了解对象中的键值对是随机存储在内存中的,因此,遍历对象的过程变得较慢,这与遍历按顺序将它们分组在一起的数组不同。

总结一下,当我们想执行诸如添加,删除和访问元素之类的操作时,可以使用对象,但是在使用对象时,我们需要谨慎地遍历对象,因为这可能很耗时。 除了进行遍历外,我们还应该理解,有时由于哈希碰撞,访问对象操作的复杂度可能会变为O(n)


代码部署后可能存在的BUG没法实时知道,事后为了解决这些BUG,花了大量的时间进行log 调试,这边顺便给大家推荐一个好用的BUG监控工具 Fundebug

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