Продолжаем разбираться с базовыми алгоритмами и сегодня поговорим про Стек и Очередь. Как вы можете знать стек используется даже в Solidity, поэтому важно понимать как он работает, и что можно от него ожидать.
Примеры кода на Python получились достаточно объемными, поэтому пришлось поместить их в отдельный ресурс Telegraph.
P.S. Весь код вы можете протестировать в Google Colab или Jupyter Notebook.
В программировании для организации хранение данных с определенными правилами доступа существуют две базовые структуры — стек и очередь. Они определяют четкий порядок, в котором элементы добавляются и извлекаются, что делает их незаменимыми инструментами для решения широкого спектра задач.
Стек, или Stack, работает по принципу LIFO — Last-In, First-Out, что переводится как «последним пришел — первым ушел». Это легко представить на примере стопки книг: новую книгу всегда кладут сверху, и чтобы взять нужную, также снимают сначала верхнюю. Самую нижнюю книгу можно получить, только убрав все лежащие выше. Основные операции со стеком включают push для добавления элемента на вершину, pop для его удаления, peek или top для просмотра вершины без удаления и isEmpty для проверки на пустоту. Визуально стек можно изобразить следующим образом:
┌─────────┐
│ C │ ← Вершина (Top) - здесь происходят операции
├─────────┤
│ B │
├─────────┤
│ A │
└─────────┘
После операции pop() будет удален элемент C, а после push(D) на вершине окажется D. На практике это выглядит так, как показано в примере реализации стека на Python с использованием списка.
Пример 1
Вывод программы наглядно демонстрирует порядок операций:
Пример 2
Стек находит применение во множестве реальных задач. Например, история браузера использует стек для реализации кнопки «Назад»: каждый новый URL помещается в стек, а нажатие кнопки извлекает последний. Текстовые редакторы хранят историю изменений в стеке для функции отмены действий (Ctrl+Z). Компиляторы и интерпретаторы проверяют сбалансированность скобок в коде, используя стек для отслеживания открывающих символов. Наконец, сам механизм вызова функций в программах управляется стеком вызовов, где сохраняются контексты выполнения. Практическим примером может служить функция проверки корректности расстановки скобок.
Пример 3
В отличие от стека, очередь, или Queue, работает по принципу FIFO — First-In, First-Out, то есть «первым пришел — первым ушел». Это аналогично очереди в магазине: первый вставший в очередь покупатель первым же и обслуживается, а новые люди присоединяются к концу. Основные операции — enqueue для добавления элемента в конец, dequeue для удаления из начала, front для просмотра первого элемента и isEmpty для проверки. Визуализация очереди выглядит так:
Пример 4
При dequeue() будет удален элемент A, а после enqueue(E) в конец добавится E. В Python для эффективной реализации очереди используется структура deque из модуля collections.
Пример 5
Вывод этой программы отражает принцип FIFO:
Пример 6
Очереди применяются там, где важен порядок поступления. Например, принтер обрабатывает документы в порядке отправки, сервера обрабатывают запросы в очереди, алгоритм поиска в ширину (BFS) использует очередь для обхода графа, а операционные системы планируют процессы. Практическую модель можно увидеть в симуляции работы кассы.
Пример 7
Сравнивая стек и очередь, можно выделить их ключевые различия. Стек следует принципу LIFO, подобно стопке книг, где добавление и удаление происходят с одного конца (вершины). Очередь же работает по принципу FIFO, как очередь в магазине, где добавление идет в конец, а удаление — из начала. В Python стек эффективно реализуется через список (list), а для очереди предпочтительнее использовать deque из модуля collections.