javascript 2.1.2 Рекурсивный обход и структуры данных

От: Из: javascript

Рекурсивные обходы

Другим отличным применением рекурсии является рекурсивный обход.

Представьте, у нас есть компания. Структура персонала может быть представлена как объект:

let company = {
  sales: [{
    name: 'John',
    salary: 1000
  }, {
    name: 'Alice',
    salary: 600
  }],

  development: {
    sites: [{
      name: 'Peter',
      salary: 2000
    }, {
      name: 'Alex',
      salary: 1800
    }],

    internals: [{
      name: 'Jack',
      salary: 1300
    }]
  }
};

Другими словами, в компании есть отделы.

  • Отдел может состоять из массива работников. Например, в отделе sales работают 2 сотрудника: Джон и Алиса.
  • Или отдел может быть разделён на подотделы, например, отдел development состоит из подотделов: sites и internals. В каждом подотделе есть свой персонал.
  • Также возможно, что при росте подотдела он делится на подразделения (или команды).Например, подотдел sites в будущем может быть разделён на команды siteA и siteB. И потенциально они могут быть разделены ещё. Этого нет на картинке, просто нужно иметь это в виду.

Теперь, допустим, нам нужна функция для получения суммы всех зарплат. Как мы можем это сделать?

Итеративный подход не прост, потому что структура довольно сложная. Первая идея заключается в том, чтобы сделать цикл for поверх объекта company с вложенным циклом над отделами 1-го уровня вложенности. Но затем нам нужно больше вложенных циклов для итераций над сотрудниками отделов второго уровня, таких как sites… А затем ещё один цикл по отделам 3-го уровня, которые могут появиться в будущем? Если мы поместим в код 3-4 вложенных цикла для обхода одного объекта, то это будет довольно некрасиво.

Давайте попробуем рекурсию.

Как мы видим, когда наша функция получает отдел для подсчёта суммы зарплат, есть два возможных случая:

  1. Либо это «простой» отдел с массивом – тогда мы сможем суммировать зарплаты в простом цикле.
  2. Или это объект с N подотделами – тогда мы можем сделать N рекурсивных вызовов, чтобы получить сумму для каждого из подотделов, и объединить результаты.

Случай (1), когда мы получили массив, является базой рекурсии, тривиальным случаем.

Случай (2), при получении объекта, является шагом рекурсии. Сложная задача разделяется на подзадачи для подотделов. Они могут, в свою очередь, снова разделиться на подотделы, но рано или поздно это разделение закончится, и решение сведётся к случаю (1).

Алгоритм даже проще читается в виде кода:

let company = { // тот же самый объект, сжатый для краткости
  sales: [{name: 'John', salary: 1000}, {name: 'Alice', salary: 600 }],
  development: {
    sites: [{name: 'Peter', salary: 2000}, {name: 'Alex', salary: 1800 }],
    internals: [{name: 'Jack', salary: 1300}]
  }
};

// Функция для подсчёта суммы зарплат
function sumSalaries(department) {
  if (Array.isArray(department)) { // случай (1)
    return department.reduce((prev, current) => prev + current.salary, 0); // сумма элементов массива
  } else { // случай (2)
    let sum = 0;
    for (let subdep of Object.values(department)) {
      sum += sumSalaries(subdep); // рекурсивно вызывается для подотделов, суммируя результаты
    }
    return sum;
  }
}

alert(sumSalaries(company)); // 6700

Код краток и прост для понимания (надеюсь?). В этом сила рекурсии. Она работает на любом уровне вложенности отделов.

Схема вызовов:

Принцип прост: для объекта {...} используются рекурсивные вызовы, а массивы [...] являются «листьями» дерева рекурсии, они сразу дают результат.

Обратите внимание, что в коде используются возможности, о которых мы говорили ранее:

  • Метод arr.reduce из главы Методы массивов для получения суммы элементов массива.
  • Цикл for(val of Object.values(obj)) для итерации по значениям объекта: Object.values возвращает массив значений.

Рекурсивные структуры

Рекурсивная (рекурсивно определяемая) структура данных – это структура, которая повторяет саму себя в своих частях.

Мы только что видели это на примере структуры компании выше.

Отдел компании – это:

  • Либо массив людей.
  • Либо объект с отделами.

Для веб-разработчиков существуют гораздо более известные примеры: HTML- и XML-документы.

В HTML-документе HTML-тег может содержать:

  • Фрагменты текста.
  • HTML-комментарии.
  • Другие HTML-теги (которые, в свою очередь, могут содержать фрагменты текста/комментарии или другие теги и т.д.).

Это снова рекурсивное определение.

Для лучшего понимания мы рассмотрим ещё одну рекурсивную структуру под названием «связанный список», которая в некоторых случаях может использоваться в качестве альтернативы массиву.

Связанный список

Представьте себе, что мы хотим хранить упорядоченный список объектов.

Естественным выбором будет массив:

let arr = [obj1, obj2, obj3];

…Но у массивов есть недостатки. Операции «удалить элемент» и «вставить элемент» являются дорогостоящими. Например, операция arr.unshift(obj) должна переиндексировать все элементы, чтобы освободить место для нового obj, и, если массив большой, на это потребуется время. То же самое с arr.shift().

Единственные структурные изменения, не требующие массовой переиндексации – это изменения, которые выполняются с конца массива: arr.push/pop. Таким образом, массив может быть довольно медленным для больших очередей, когда нам приходится работать с его началом.

Или же, если нам действительно нужны быстрые вставка/удаление, мы можем выбрать другую структуру данных, называемую связанный список.

Элемент связанного списка определяется рекурсивно как объект с:

  • value,
  • next – свойство, ссылающееся на следующий элемент связанного списка или null, если это последний элемент.

Пример:

let list = {
  value: 1,
  next: {
    value: 2,
    next: {
      value: 3,
      next: {
        value: 4,
        next: null
      }
    }
  }
};

Графическое представление списка:

Альтернативный код для создания:

let list = { value: 1 };
list.next = { value: 2 };
list.next.next = { value: 3 };
list.next.next.next = { value: 4 };

Здесь мы можем ещё лучше увидеть, что есть несколько объектов, каждый из которых имеет value и next, указывающий на соседа. Переменная list является первым объектом в цепочке, поэтому, следуя по указателям next из неё, мы можем попасть в любой элемент.

Список можно легко разделить на несколько частей и впоследствии объединить обратно:

let secondList = list.next.next;
list.next.next = null;

Для объединения:

list.next.next = secondList;

И, конечно, мы можем вставить или удалить элементы из любого места.

Например, для добавления нового элемента нам нужно обновить первый элемент списка:

let list = { value: 1 };
list.next = { value: 2 };
list.next.next = { value: 3 };
list.next.next.next = { value: 4 };

// добавление нового элемента в список
list = { value: "new item", next: list };

Чтобы удалить элемент из середины списка, нужно изменить значение next предыдущего элемента:

list.next = list.next.next;

list.next перепрыгнуло с 1 на значение 2. Значение 1 теперь исключено из цепочки. Если оно не хранится где-нибудь ещё, оно будет автоматически удалено из памяти.

В отличие от массивов, нет перенумерации, элементы легко переставляются.

Естественно, списки не всегда лучше массивов. В противном случае все пользовались бы только списками.

Главным недостатком является то, что мы не можем легко получить доступ к элементу по его индексу. В простом массиве: arr[n] является прямой ссылкой. Но в списке мы должны начать с первого элемента и перейти в next N раз, чтобы получить N-й элемент.

…Но нам не всегда нужны такие операции. Например, нам может быть нужна очередь или даже двухсторонняя очередь – это упорядоченная структура, которая позволяет очень быстро добавлять/удалять элементы с обоих концов, но там не нужен доступ в середину.

Списки могут быть улучшены:

  • Можно добавить свойство prev в дополнение к next для ссылки на предыдущий элемент, чтобы легко двигаться по списку назад.
  • Можно также добавить переменную tail, которая будет ссылаться на последний элемент списка (и обновлять её при добавлении/удалении элементов с конца).
  • …Возможны другие изменения: главное, чтобы структура данных соответствовала нашим задачам с точки зрения производительности и удобства.

Итого

Термины:

  • Рекурсия – это термин в программировании, означающий вызов функцией самой себя. Рекурсивные функции могут быть использованы для элегантного решения определённых задач.Когда функция вызывает саму себя, это называется шагом рекурсии. База рекурсии – это такие аргументы функции, которые делают задачу настолько простой, что решение не требует дальнейших вложенных вызовов.
  • Рекурсивно определяемая структура данных – это структура данных, которая может быть определена с использованием самой себя.Например, связанный список может быть определён как структура данных, состоящая из объекта, содержащего ссылку на список (или null).list = { value, next -> list }Деревья, такие как дерево HTML-элементов или дерево отделов из этой главы, также являются рекурсивными: они разветвляются, и каждая ветвь может содержать другие ветви.Как мы видели в примере sumSalary, рекурсивные функции могут быть использованы для прохода по ним.

Любая рекурсивная функция может быть переписана в итеративную. И это иногда требуется для оптимизации работы. Но для многих задач рекурсивное решение достаточно быстрое и простое в написании и поддержке.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *