Стек (інформатика)

У Вікіпедії є статті про інші значення цього терміна: Стек (значення).

Стек (англ. stack — «стос, стіс») в інформатиці та програмуванні — різновид , структура даних, яка працює за принципом (дисципліною) «останнім прийшов — першим пішов» (LIFO, англ. last in, first out). Усі операції (наприклад, видалення елемента) в стеку можна проводити тільки з одним елементом, який міститься на верхівці стека та був уведений у стек останнім.

Стек можна уявити як стопку тарілок, з якої можна взяти верхню, і на яку можна покласти верхню тарілку. Інша назва стека — «магазин», за аналогією з принципом роботи магазина в автоматичній зброї.

Операції зі стеком

Виконання операцій push та pop.

Приклад виконання операцій зі стеком.

• push («заштовхнути елемент»): елемент додається в стек та розміщується в його верхівці. Розмір стека збільшується на одиницю. При перевищенні граничної величини розміру стека, відбувається переповнення стека (англ. stack overflow).

• pop («виштовхнути елемент»): повертає елемент з верхівки стека. При цьому він видаляється зі стека і його місце у верхівці стека займає наступний за ним відповідно до правила LIFO, а розмір стека зменшується на одиницю. При намаганні «виштовхнути» елемент зі вже пустого стека, відбувається ситуація «незаповненість» стека (англ. stack underflow).

Кожна з цих операцій зі стеком виконується за фіксований час O(1) і не залежить від розміру стека.

Додаткові операції (присутні не у всіх реалізаціях стека):

• isEmpty: перевірка наявності елементів у стеку; результат: істина (true), коли стек порожній.
• isFull: перевірка заповненості стека. Результат: істина, коли додавання нового елементу неможливе.
• clear: звільнити стек (видалити всі елементи).
• top: отримати верхній елемент (без виштовхування).
• size: отримати розмір (кількість елементів) стека.
• swap: поміняти два верхніх елементи місцями.

Організація в пам'яті комп'ютера

Стек можна організувати як масив або множину комірок у певній ділянці пам'яті комп'ютера з додатковим зберіганням ще й вказівника на верхівку стека. Заштовхування елемента в стек збільшує адресу вказівника, виштовхування елемента зменшує її. Таким чином, адреса вказівника завжди відповідає комірці масиву, в якій зараз міститься верхівка стека.

Багато процесорів ЕОМ мають спеціалізовані регістри, які використовуються як вказівники на верхівку стека, або використовують деякі з регістрів загального вжитку для цієї спеціальної функції в певних режимах адресації пам'яті.

Приклади застосування

Калькулятори (^[en]), де запис виразів організовано в інверсній польській нотації, використовують стек для збереження даних обчислень. Прикладом використання стекової машини є програма UNIX dc.

Існують «стеко-орієнтовані» мови програмування (Forth, PostScript), які використовують стек як базову структуру даних при виконанні багатьох операцій (арифметичних, логічних, вводу-виводу тощо).

Стеко-орієнтованими є деякі з віртуальних машин, наприклад віртуальна машина Java.

Компілятори мов програмування можуть використовувати стек для передавання параметрів у процесі виклику підпрограм, процедур та функцій (іншим поширеним способом передавання є регістри). Спеціалізований стек використовується також для збереження адрес повернення з підпрограм.

Реалізація базових алгоритмів

На мовах програмування високого рівня, стек можна реалізувати за допомогою масиву та додаткової змінної. Для зберігання елементів стека резервується масив S[1..n] певного розміру та додаткова змінна top[S], яка буде зберігати індекс верхівки стека.

Операції push та pop тоді можна записати так (без перевірки на переповнення та «незаповненість»):

PUSH (S, x)
1 top[S] := top[S] + 1 // збільшення індексу на 1
2 S[top[S]] := x // запис нового елемента у верхівку стека

POP (S)
1 top[S] := top[S] - 1 // зменшення індексу на 1
2 return S[top[S] + 1] // повернення колишньої верхівки стека

Приклад реалізації стека на мові за допомогою масиву:

template <class T> class StackOnArray { private: int top; int size; T* arr; void resizeAndCopy() { T* valueArr = new T[size]; for (int i = 0; i < top; ++i) { valueArr[i] = arr[i]; } delete[] arr; arr = valueArr; } public: StackOnArray() { top = 0; size = 10; arr = new T[size]; }  ~StackOnArray() { delete[] arr; }  void push(T value) { if (top >= size)  { size *= 2; resizeAndCopy(); } arr[top] = value; ++top; } public: T pop() { T result = T(); if (!isEmpty()) { --top; result = arr[top]; if (top <= size / 3) { size = size * 2 / 3; resizeAndCopy(); } } return result; } bool isEmpty() { return top == 0; } int getSize() { return size; } }; 

Див. також

• Forth, PostScript — поширені стекові мови програмування.

Література

• Дональд Кнут. Fundamental Algorithms // The Art of Computer Programming. — 3rd. — Massachusetts : Addison–Wesley, 1997. — Т. 1. — 650 с. — .(англ.)
• Т. Кормен; Ч. Лейзерсон; Р. Рівест; К. Стайн (2009) [1990]. Section 10.1: Стеки і черги. Вступ до алгоритмів (вид. 3rd). MIT Press і McGraw-Hill. ISBN .