Стек

Определение

Стек

Стек (от англ. stack — стопка) — структура данных, представляющая из себя упорядоченный набор элементов, в которой добавление новых элементов и удаление существующих производится с одного конца, называемого вершиной стека. Притом первым из стека удаляется элемент, который был помещен туда последним, то есть в стеке реализуется стратегия «последним вошел — первым вышел» (last-in, first-out — LIFO). Примером стека в реальной жизни может являться стопка тарелок: когда мы хотим вытащить тарелку, мы должны снять все тарелки выше. Вернемся к описанию операций стека:

• [math] \mathtt{empty} [/math] — проверка стека на наличие в нем элементов,
• [math] \mathtt{push} [/math] (запись в стек) — операция вставки нового элемента,
• [math] \mathtt{pop} [/math] (снятие со стека) — операция удаления нового элемента.

Реализации

Для стека с [math]n[/math] элементами требуется [math]O(n)[/math] памяти, так как она нужна лишь для хранения самих элементов.

На массиве

Перед реализацией стека выделим ключевые поля:

• [math]\mathtt{s[1\dots n]} [/math] — массив, с помощью которого реализуется стек, способный вместить не более [math]n[/math] элементов,
• [math]\mathtt{s.top}[/math] — индекс последнего помещенного в стек элемента.

Стек состоит из элементов [math]\mathtt {s[1\dots s.top]}[/math], где [math]\mathtt{s[1]}[/math] — элемент на дне стека, а [math]\mathtt{s[s.top]}[/math] — элемент на его вершине. Если [math]\mathtt{s.top = 0}[/math], то стек не содержит ни одного элемента и является пустым (англ. empty). Протестировать стек на наличие в нем элементов можно с помощью операции — запроса [math] \mathtt{stackEmpty} [/math]. Если элемент снимается с пустого стека, говорят, что он опустошается (англ. underflow), что обычно приводит к ошибке. Если значение [math]\mathtt{s.top}[/math] больше [math]\mathtt{n}[/math], то стек переполняется (англ. overflow). (В представленном ниже псевдокоде возможное переполнение во внимание не принимается.)

Каждую операцию над стеком можно легко реализовать несколькими строками кода:

boolean empty():
  return s.top == 0

function push(element : T):
  s.top = s.top + 1
  s[s.top] = element

T pop():
  if empty()
    return error "underflow"
  else 
    s.top = s.top - 1
    return s[s.top + 1]

Как видно из псевдокода выше, все операции со стеком выполняются за [math]O(1)[/math].

На саморасширяющемся массиве

Возможна реализация стека на динамическом массиве, в результате чего появляется существенное преимущество над обычной реализацией: при операции push мы никогда не сможем выйти за границы массива, тем самым избежим ошибки исполнения.

Создадим вектор и определим операции стека на нём. В функции [math] \mathtt {push} [/math] Перед тем, как добавить новый элемент, будем проверять, не нужно ли расширить массив вдвое, а в [math] \mathtt {pop} [/math], перед тем, как изъять элемент из массива, — не нужно ли вдвое сузить размер вектора. Ниже приведён пример реализации на векторе.

Ключевые поля:

• [math]\mathtt{s[0\dots n-1]}[/math] — старый массив, в котором хранится стек,
• [math]\mathtt{newStack[0\dots newSize]}[/math] — временный массив, где хранятся элементы после перекопирования,
• [math]\mathtt{head}[/math] — верхушка стека,
• [math]\mathtt{capacity}[/math] — размер массива.

function push(element : T):
  if head == capacity - 1
    T newStack[capacity * 2]
    for i = 0 to capacity - 1
      newStack[i] = s[i]
    s = newStack
    capacity = capacity * 2
  head++
  s[head] = element

T pop():
  temp = s[head]
  head--
  if head < capacity / 4
    T newStack[capacity / 2]
    for i = 0 to capacity / 4 - 1
      newStack[i] = s[i]
    s = newStack
    capacity = capacity / 2
  return temp

На списке

Стек можно реализовать и на списке. Для этого необходимо создать список и операции работы стека на созданном списке. Ниже представлен пример реализации стека на односвязном списке. Стек будем "держать" за голову. Добавляться новые элементы посредством операции [math] \mathtt{push} [/math] будут перед головой, сами при этом становясь новой головой, а элементом для изъятия из стека с помощью [math] \mathtt{pop} [/math] будет текущая голова. После вызова функции [math] \mathtt{push} [/math] текущая голова уже станет старой и будет являться следующим элементом за добавленным, то есть ссылка на следующий элемент нового элемента будет указывать на старую голову. После вызова функции [math] \mathtt{pop} [/math] будет получена и возвращена информация, хранящаяся в текущей голове. Сама голова будет изъята из стека, а новой головой станет элемент, который следовал за изъятой головой.

Заведем конструктор вида ListItem(next : ListItem, data : T)

Ключевые поля:

• [math]\mathtt{head.data}[/math] — значение в верхушке стека,
• [math]\mathtt{head.next}[/math] — значение следующее за верхушкой стека.

function push(element : T):
  head = ListItem(head, element)

T pop():
  data = head.data
  head = head.next
  return data

В реализации на списке, кроме самих данных, хранятся указатели на следующие элементы, которых столько же, сколько и элементов, то есть, так же [math]\mathtt{n}[/math]. Стоит заметить, что стек требует [math]O(n)[/math] дополнительной памяти на указатели в списке.

См. также

• Очередь
• Персистентный стек

Источники информации

• Википедия — Стек
• Т. Кормен. «Алгоритмы. Построение и анализ» второе издание, Глава 10
• T. H. Cormen. «Introduction to Algorithms» third edition, Chapter 10.1
• Динамические структуры данных: стеки