Что такое стек в программировании и как он работает? Основные понятия стека (2 видео)

Стек – одна из важнейших структур данных в программировании. Он используется для хранения и управления последовательностью элементов в определенном порядке, известном как «Last-In-First-Out» (LIFO), что означает, что последний элемент, добавленный в стек, будет первым, который будет извлечен.

Основная идея стека состоит в том, что он представляет собой сущность, где можно добавлять новые элементы только в одном конце, который называется вершиной стека, и удалять элементы только с этого же конца. Таким образом, доступ к элементам стека осуществляется только через его вершину.

Чтобы лучше понять, как работает стек, можно представить его в виде стопки тарелок: когда тарелка добавляется на вершину стека, она становится новым верхним элементом, и только этот элемент можно взять или удалить. Для добавления и удаления элементов используются две основные операции: push (вставка элемента в стек) и pop (удаление элемента из стека).

Содержание

Стек в программировании: основные понятия и принцип работы
Стек: общие сведения
Содержимое стека
Принцип работы стека
Основные понятия стека
Верх и дно стека
Операции над стеком
Размер стека
📹 Видео

Видео:#16. Стек. Структура и принцип работы | Структуры данныхСкачать

Стек в программировании: основные понятия и принцип работы

Основные понятия, связанные со стеком, включают:

Верх стека (top) — это позиция, на которой находится последний добавленный элемент. Когда происходит операция удаления элемента, верх стека уменьшается на 1.
Дно стека (bottom) — это позиция, на которой находится первоначально добавленный элемент и который является первым извлеченным при операции.
Размер стека — это количество элементов, которые можно хранить в стеке. Обычно размер стека ограничен и определяется при его создании.

Основной принцип работы стека заключается в том, что новые элементы добавляются на верх стека, а извлекаются с верхушки стека. При этом обращение к промежуточным элементам стека запрещено. Такая организация стека позволяет эффективно следовать принципу LIFO.

Стек в программировании активно используется для решения различных задач, таких как хранение временных данных, выполнение рекурсивных вызовов функций или отслеживание состояний программы. Многие языки программирования предлагают встроенные структуры данных стека или предоставляют механизмы для его реализации.

Видео:Стек как структура данных. Полное понимание! Динамические структуры данных #4Скачать

Стек: общие сведения

Стек работает по принципу LIFO (Last-In, First-Out), что означает, что последний добавленный элемент будет первым удаленным. Такая организация данных позволяет управлять порядком доступа к элементам стека: новые элементы добавляются на вершину, а операция извлечения также происходит с вершины.

Стек можно представить как стопку книг или тарелок: новые элементы кладутся сверху, а при удалении берется верхний элемент. Это позволяет обращаться только к самому верхнему элементу в стеке, поэтому такая структура данных обладает простотой и эффективностью.

Важно отметить, что стек имеет ограниченную емкость, то есть есть граница, после которой стек будет заполнен. При этом, если стек полностью заполнен, а новый элемент должен быть добавлен, то возникает стековое переполнение, которое может привести к ошибкам выполнения программы.

Основные операции, которые могут быть выполнены над стеком, включают добавление элемента на вершину стека (push), извлечение элемента с вершины стека (pop) и просмотр верхнего элемента без его удаления (peek). Также можно проверить, является ли стек пустым (isEmpty) и определить его размер (size).

Содержимое стека

Каждый элемент в стеке называется узлом или записью. Узел содержит данные и указатель на следующий элемент стека, который называется вершиной. Вершина указывает на последний добавленный в стек элемент.

При добавлении нового элемента в стек, он становится новой вершиной и указывает на предыдущую вершину. При удалении элемента из стека, вершина смещается на предыдущий элемент.

Содержимое стека может быть различного типа данных: числа, строка, объекты и другие. Элементы в стеке могут иметь разную длину или размер, но они всегда добавляются и удаляются одним элементом за раз.

Стек может иметь ограниченный размер, который может быть задан заранее. Когда стек заполняется полностью, новые элементы уже добавить нельзя, а при попытке добавления происходит ошибка — «переполнение стека».

Содержимое стека можно представить в виде списка итерируемых элементов, где каждый элемент является узлом с данными. Элементы можно перебирать в порядке их добавления или удаления.

Пример содержимого стека:

Элемент 3
Элемент 2
Элемент 1

Принцип работы стека

Основные операции, выполняемые над стеком, — это добавление элемента в стек (push) и удаление элемента из стека (pop). При добавлении элемента, он помещается на верхушку стека, а при удалении — удаляется последний добавленный элемент.

В стеке есть также особые элементы — вершина и дно. Вершина стека — это текущий верхний элемент, с которым совершаются операции добавления и удаления. Дно стека — это особый элемент, с которого начинается стек. Когда стек пуст, вершина и дно совпадают.

Стек используется на практике во многих алгоритмах и программах. Он широко применяется, например, при работе с вызовами функций, при обходе графа в глубину, при реализации рекурсивных алгоритмов и многих других задачах, где нужен упорядоченный доступ к элементам.

Видео:КАК РАБОТАЕТ СТЕК | ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯСкачать

Основные понятия стека

Верх стека – это индекс или указатель, указывающий на текущий верхний элемент стека. Это элемент, к которому можно получить доступ или добавить новый элемент.

Дно стека – это индекс или указатель, указывающий на нижний элемент стека. Он является фиксированным и неподвижным, и всегда остается на своем месте.

Операции над стеком – для работы со стеком используются следующие операции:

Push: добавляет новый элемент в верх стека;
Pop: удаляет верхний элемент стека;
Peek: возвращает значение текущего верхнего элемента стека без его удаления;
IsEmpty: проверяет, пустой ли стек;
IsFull: проверяет, заполнен ли стек;

Размер стека – это максимальное количество элементов, которое может содержать стек. Задается заранее и зависит от ограничений, установленных операционной системой или программой.

Верх и дно стека

Когда происходит добавление нового элемента в стек, он помещается на верх стека и становится новым верхним элементом. Ранее добавленные элементы смещаются вниз. При необходимости извлечения элемента, до него нужно дойти по очереди от верха стека. То есть, последний добавленный элемент будет первым, который будет извлекаться.

Использование понятий верха и дна стека позволяет упростить работу со стеками. Разработчикам не нужно беспокоиться о местонахождении элементов в стеке, так как верхний элемент всегда доступен для чтения или удаления, а дно стека всегда остается фиксированным.

Для наглядности работы со стеком иногда используют также понятия пустого стека и полного стека. Пустой стек – это стек, в котором нет ни одного элемента, то есть он не содержит никакой информации. Полный стек – это стек, в котором количество элементов достигло максимального значения, которое пределено при создании стека.

Операции добавления и удаления элементов в стек всегда происходят только с его верхушкой. Другие элементы стека недоступны для изменения. Это позволяет обеспечить эффективность работы со стеком, так как для выполнения операций не нужно перебирать все элементы стека, а достаточно лишь изменить верхний элемент.

Изучение понятия верха и дна стека является важным для понимания работы стеков в программировании. Они позволяют эффективно добавлять и удалять элементы из стека, не требуя перебора всех элементов, а также определять состояние стека (пустой или полный).

Операции над стеком

Операции над стеком в программировании позволяют добавлять и удалять элементы из стека, а также получать информацию о его состоянии.

Основные операции над стеком:

Операция	Описание
Push	Добавляет новый элемент в стек. Этот элемент становится новым верхним элементом стека.
Pop	Удаляет верхний элемент из стека и возвращает его значение. В результате удаления, новым верхним элементом стека становится предпоследний элемент.
Peek	Возвращает значение верхнего элемента стека, не удаляя его из стека. Позволяет получить информацию о верхнем элементе без его удаления.
IsEmpty	Проверяет, пуст ли стек. Возвращает true, если стек не содержит элементов, иначе возвращает false.
IsFull	Проверяет, заполнен ли стек. Возвращает true, если стек заполнен, иначе возвращает false.
Size	Возвращает количество элементов в стеке.

Операции над стеком позволяют эффективно работать с данными, сохраняя порядок их обработки. Использование операций push, pop и peek позволяет добавлять, удалять и получать значения элементов стека в соответствии с принципом «последним пришел — первым вышел» (Last-In-First-Out, LIFO).

Размер стека

Размер стека может быть задан явно, указывая максимальное количество элементов, либо может быть ограничен размером доступной оперативной памяти. В случае превышения размера стека происходит переполнение, что может привести к ошибкам и непредсказуемому поведению программы.

Определение оптимального размера стека зависит от конкретной задачи и ограничений системы. Недостаточный размер стека может привести к исчерпанию памяти и аварийному завершению программы, а слишком большой размер может снизить производительность и использование ресурсов системы.

При проектировании программы следует учитывать оценку потребности в памяти и выбор подходящего размера стека. В случае динамического изменения объема данных, можно использовать динамический стек, который может расти или уменьшаться по мере необходимости.

Размер стека также может быть ассоциирован с некоторым ограничением по времени выполнения операций над стеком. Например, при использовании стека для реализации функции вызова, размер стека может быть ограничен максимальной глубиной рекурсии, чтобы избежать бесконечной рекурсии и переполнения стека.

Важно учитывать размер стека при разработке программы, чтобы избежать возможных проблем с памятью и обеспечить эффективную работу программы.