Стек - структура, компоненты и принцип работы

Информация, подобно течению реки, непрерывно движется по различным системам. Эти системы эффективно управляют данными, используя структуру, известную как стек.

Стек представляет собой иерархическую структуру, где данные организованы в слои. Каждый слой отвечает за определенный аспект управления данными, от хранения до обработки и представления.

По мере движения данных через стек они претерпевают различные трансформации. Низшие слои отвечают за базовые операции, такие как хранение и извлечение данных, а высшие - за более сложные процессы, такие как обработка, анализ и визуализация.

Что такое набор данных?

Сегодня мы много что делаем с данными. Мы собираем, организуем, анализируем и храним их. Во всех этих процессах есть один общий знаменатель - коллекция данных.

Когда мы говорим о наборе данных, мы имеем в виду организованное и выровненное собрание данных. Эта коллекция может быть структурированной или неструктурированной.

Наборы данных можно представить в виде таблицы, где каждое поле содержит конкретное значение. Например, собранные данные о погоде могут содержать такие поля, как температура, влажность и осадки.

Структурированные наборы данных

Структурированные наборы данных следуют определённой схеме или формату. В них данные упорядочены в виде строк и столбцов, что облегчает поиск и извлечение информации.

Неструктурированные наборы данных

Неструктурированные наборы данных не имеют чёткого формата или схемы. Данные в них могут быть представлены в форме текста, изображений, аудио или видео. Обработка и анализ таких наборов данных более сложны, но они часто содержат ценные сведения, которые могут оставаться скрытыми в структурированных наборах данных.

Из чего состоит база?

Данные описываются метаданными (полями)

Поля содержат:

Имя.

Тип данных.

Допустимые значения.

Поля и их последовательность в конкретной таблице определяют структуру таблицы, при этом обязательно указывается, какие из полей являются ключами таблицы.

Электронный документ является информационным объектом, представленным в определенном формате и отображающим один или несколько элементов базы прикладного обеспечения.

Принцип работы стека

Не будем ходить вокруг да около! Давайте разберемся, как этот пресловутый стек функционирует. Идея стека как структуры данных довольно проста - по принципу "последним пришел, первым вышел". Это словно стопка блинов, где самый свежеиспеченный сверху, а самый старый – внизу.

Представьте себе, что у вас на столе два предмета: коробка с крышкой и ящик с выдвижным ящиком.

Операции "push" ("вложить") и "pop" ("изъять")

Если нам нужно добавить новый элемент в наш стек, мы кладем его сверху, как будто кладем блин на стопку.

Когда нам нужно удалить элемент из стека, мы берем его сверху, так же как снимаем верхний блин.

Эти две операции позволяют нам манипулировать элементами стека эффективным и упорядоченным образом.

Структура Хранилища

В своей сути хранилище – это упорядоченный массив данных. Главная его особенность заключается в линейном порядке добавления и удаления этих данных. При добавлении нового элемента он размещается в начало массива, а при удалении убирается из начала.

Такой порядок доступа к данным определяет специфическую структуру хранилища. Можно заметить, что здесь нет понятия индекса или указателя на данные.

Вместо этого используются два указателя: на вершину и основание хранилища. Вершина указывает на первый элемент, а основание – на последний.

Таким образом, структура хранилища представляет собой простейшую линейную структуру данных. Она удобна для операций добавления и удаления в начале массива, но неэффективна для других операций, таких как поиск или вставка в произвольное место.

Операции с резервуаром

Взаимодействие с резервуаром осуществляется с помощью основных операций. Их всего две: добавление (или "наполнение") и удаление (или "изъятие"). "Наполнение" означает внесение элемента в резервуар, а "изъятие" - удаление верхнего элемента из резервуара.

Добавление

Добавление элемента в резервуар - базовая операция, которая позволяет накапливать элементы. Элемент вносится в верхнюю часть резервуара и становится его вершиной.

Изъятие

Удаление элемента из резервуара также является фундаментальной операцией. Эта операция позволяет извлечь верхний элемент из резервуара, и он станет новым верхним элементом.

Таким образом, эти две простые операции обеспечивают полноценное взаимодействие с резервуаром, позволяя добавлять, извлекать и организовывать элементы в нем.

Использование массива в программировании

Массив незаменим при обработке данных, требующих строгой последовательности.

Операции в массиве производятся на основе индексов.

Массив в языке программирования представляет собой совокупность объектов одного типа, располагающихся либо по возрастанию, либо по убыванию индекса.

Это своеобразная ячейка хранения данных, к которой можно иметь непосредственный доступ.

Для работы с массивом необходимо:

Объявление массива

Делается с помощью ключевого слова массива, после которого указывают имя, тип данных и количество элементов.

Тип данных должен соответствовать типу элементов массива.

Количество элементов массива должно быть фиксированным.

Обращение к элементам массива

При обращении к элементу указывается имя массива, указатель на номер элемента.

Например, для массива "числа" из шестнадцати элементов, чтобы обратиться к первому элементу, нужно написать "числа[0]".

Преимущества использования структуры данных "Стек"

Использование стека в программировании имеет множество преимуществ, которые делают его незаменимым инструментом в решении различных задач.

Во-первых, стек обеспечивает эффективное управление данными.

Во-вторых, он позволяет легко отслеживать последовательность операций.

Кроме того, стек поддерживает принцип "последним пришел - первым ушел", что часто бывает полезно.

Благодаря таким преимуществам, как простота реализации, удобство использования и высокая эффективность, структура данных "Стек" широко применяется в самых разных областях программирования.

Недостатки применения упорядоченного списка

Эффективность накопления значений для этих списков упирается в их линейность: к начальным элементам приходится пробираться через все последующие. Чем больше структура, тем медленнее доступ к её началу.

Линейная природа не позволяет работать с крайними элементами параллельно: они слишком далеко друг от друга.

Неимение возможности обратиться к элементам по ключу усложняет поиск и сортировку.

В сложных задачах, требующих частых операций над данными в середине структуры, приходится постоянно перестраивать её, перемещая нужные элементы ближе к началу или концу.

Примеры применения

Разработка программного обеспечения, являющаяся основным полем применения, далеко не единственное.

Без стека не обходятся трансляторы, превращающие исходный код программ в машинный.

Он нужен для работы операционных систем, управляющих компьютерами и смартфонами.

Блочная память - тоже область применения стековой структуры.

А еще - это система возврата к предыдущим состояниям в браузерах.

Этот принцип нашел применение в организациях, где важен последовательный обмен данными, например, в call-центрах и на складских комплексах.

## Стек памяти в ОС

Стек – это область оперативной памяти, организованная по принципу "последним пришёл – первым ушёл". Используется ОС для временного хранения данных, необходимых для выполнения программ.

Стек растёт вниз от высокоадресных областей к низкоадресным, предоставляя приложениям защищённую область для хранения данных. При вызове функции в стек помещается возвращаемый адрес, локальные переменные и аргументы.

Помимо использования для хранения данных приложений, стек также играет важную роль в управлении системой. ОС использует стек для хранения контекста процесса, включая регистры процессора и таблицу страниц памяти. Такая структура позволяет ОС быстро переключаться между процессами, экономя время и ресурсы.

Структура стека упорядоченна, что облегчает ОС управление памятью и отслеживание данных приложений. Каждый раз, когда функция завершается, её данные удаляются из стека, освобождая место для следующей функции.

При разработке программ важно понимать принцип работы стека и его ограничения. Например, использование слишком большого количества локальных переменных или рекурсивных вызовов может привести к переполнению стека, что вызовет ошибку и завершение программы.

Стек Вызовов: Отладка Кода

В программировании, стек вызовов - это фундаментальная структура данных, координирующая выполнение кода. Представляя собой упорядоченный набор данных, он выступает хранилищем связных с вызовом функций сведений. Каждая запись в стеке отображает текущий контекст вызова, включая имя функции, ее параметры и локальные переменные.

Данная структура служит инструментом отладки, помогающим выявлять ошибки в коде и отслеживать исполнение программы. Она позволяет пошагово просматривать стек вызовов, подробно исследуя содержание каждой функции и ее взаимодействие с другими элементами программы. Стеки вызовов особенно ценны при анализе сложных программ, состоящих из множественных взаимосвязанных компонентов.

Точная реализация стека вызовов может отличаться в зависимости от конкретной среды выполнения и языка программирования. Однако базовый принцип его функционирования остается неизменным: каждый вызов функции записывается в стек, а при выходе из функции запись удаляется. Понимание структуры стека вызовов и его практических применений является важным навыком для любого разработчика, стремящегося создавать надежные и эффективные программные решения.

Стеки в теории графов

Концепция стека также встречается в теории графов, где используются для представления различных структур и алгоритмов.

Наряду со стеком используем два его варианта: циклический стек, у которого первое и последнее вершины целиком соединены, и полустек, у которого две вершины соединены только в одну сторону.

Стековые графы – это ориентированные графы, в которых вершины могут быть упорядочены в последовательность {v₁, v₂, ..., v_n} так, что для любой вершины v_i все её смежные вершины имеют больший индекс j > i.

Стековые упорядочения

В теории графов стеки используются для поиска стекового упорядочения в графе – перечисления его вершин в порядке, соответствующем любому топологическому упорядочению.

Циклические стеки

Циклические стеки используются для представления круговых путей в графах или для поиска компонент сильной связности.

Полустеки

Полустеки применяются для моделирования полуупорядоченных множеств, когда одни вершины доминируют над другими, но не наоборот.

Вопрос-ответ:

Что такое стек?

Стек - это структура данных, которая хранит элементы в порядке last-in-first-out (LIFO), то есть последний добавленный элемент извлекается первым. Представьте себе стопку тарелок: когда вы кладете тарелку на стопку, она оказывается наверху, а когда вы ее снимаете, вы берете самую верхнюю тарелку.

Из чего состоит стек?

Стек физически реализуется как область памяти, которая хранит ссылки на элементы данных. Каждая ссылка указывает на следующий элемент в стеке. Кроме того, есть указатель вершины стека, который указывает на следующий свободный слот в стеке.

Как работает добавление в стек?

Чтобы добавить элемент в стек, вы увеличиваете указатель вершины стека и записываете элемент в ячейку памяти, на которую теперь указывает вершина стека. Элемент становится новым верхним элементом стека.

Как работает удаление из стека?

Чтобы удалить элемент из стека, вы просто уменьшаете указатель вершины стека на 1. Элемент, который ранее был верхним, теперь удален из стека, и следующий элемент в стеке становится новым верхним элементом.

Что такое стек и для чего он используется?

Стек - это структура данных, которая организована по принципу "последний пришел - первый вышел" (LIFO). Он используется для временного хранения данных, которые обрабатываются последовательно. Стек часто используется для отслеживания вызовов функций, управления памятью и реализации рекурсивных алгоритмов.

Видео:

ELK (Elasticsearch, Logstash, Kibana) стек - что это?