Электронный учебник

§ 42. Стек, очередь, дек

§42

Стек, очередь, дек

Что такое стек?

Представьте себе стопку книг (подносов, кирпичей и т. п.)-С точки зрения информатики, её можно воспринимать как список элементов, расположенных в определённом порядке. Этот список имеет одну особенность — удалять и добавлять элементы можно только с одной («верхней») стороны. Действительно, для того чтобы вытащить какую-то книгу из стопки, нужно сначала снять все те книги, которые находятся на ней. Положить книгу сразу в середину тоже нельзя.

Стек, очередь, дек

Стек (англ. stack — стопка) — это линейный список, в котором элементы добавляются и удаляются только с одного конца (англ. LIFO: Last In - First Out — последний пришёл — первым ушёл).

На рисунке 6.6 показаны примеры стеков вокруг нас, в том числе автоматный магазин и детская пирамидка.

Рнс. 6.6

Как вы знаете из учебника для 10 класса, стек используется при выполнении программ: в нём хранятся адреса возврата из подпрограмм, параметры, передаваемые функциям и процедурам, а также локальные переменные.

Задача I. В файле записаны целые числа. Нужно вывести их в другой файл в обратном порядке.

В этой задаче очень удобно использовать стек. Для стека опре­делены две операции:

  • добавить элемент на вершину стека (англ. push — втолк­нуть);
  • получить элемент с вершины стека и удалить его из стека (англ. pop — вытолкнуть).

Запишем алгоритм решения на псевдокоде. Сначала читаем данные и добавляем их в стек:

нц пока  файл  не  пуст

прочитать   х

добавить   х  в  стек

кц

Теперь верхний элемент стека — это последнее число, прочитан­ное из файла. Поэтому остаётся «вытолкнуть» все записанные в стек числа, они будут выходить в обратном порядке:

нц пока стек не пуст

вытолкнуть число из стека в х

записать х в файл 

кц

Использование динамического массива

 

Поскольку стек — это линейная структура данных с перемен­ным количеством элементов, для создания стека в программе мы можем использовать динамический массив. Конечно, можно орга­низовать стек из обычного (статического) массива, но его будет невозможно расширить сверх размера, выделенного при трансля­ции.

Для рассмотренной выше задачи 1 структура-стек содержит динамический целочисленный массив и количество используемых в нём элементов:

Будем считать, что стек «растёт» от начала к концу массива, т. е. вершина стека — это последний элемент.

Для работы со стеком нужны две подпрограммы:

  • процедура Push, которая добавляет новый элемент на вер­шину стека;
  • функция Pop, которая убирает его из стека.

Приведем эти подпрограммы 

function Pop(var 5:TStack): integer;

begin

S.size:=S.size-l;

Pop:=S.data[S.size];

end;

Обратите внимание, что здесь структура типа TStack изменяется внутри подпрограмм, поэтому этот параметр должен быть изменя­емым (описан с помощью var).

Заметим, что если нам понадобится стек, который хранит дан­ные другого типа (например, символы, символьные строки или структуры), в объявлении типа и в приведённых подпрограммах нужно просто заменить integer на нужный тип.

Кроме того, введём процедуру Initstack, которая заполняет поля структуры начальными значениями (выполняет инициали­зацию стека):

 

Здесь S — переменная типа TStack; F — файловая перемен­ная, связанная с файлом, открытым на чтение; х — целая пере­менная. Вывод результата в файл выполняется так:

for   i:=0   to  S.size-1  do begin

x: = Pop(S); writeln(F, x) ;

end;

Здесь i — целая переменная, a F —■ файловая переменная, связан­ная с файлом, открытым на запись.

Вычисление арифметических выражений

Вы не задумывались, как компьютер вычисляет арифметиче­ские выражения, записанные в такой форме:   (5+15)7(4+7-1)?

Такая запись называется инфиксной — в ней знак операции рас­положен между операндами (данными, участвующими в опера­ции). Инфиксная форма неудобна для автоматических вычисле­ний из-за того, что выражение содержит скобки и его нельзя вы­числить за один проход слева направо.

В 1920 г. польский математик Ян Лукасевич предложил пре­фиксную   форму,   которую  стали   называть   польской   нотацией. В ней знак операции расположен перед операндами. Например, выражение (5 + 15)/(4 + 7-1) может быть записано в виде

/   +  5   15-  +   47   1.

Скобки здесь не требуются, так как порядок операций строго определён: сначала выполняются два сложения (+ 5 15 и + 4 7), затем вычитание, и, наконец, деление. Первой стоит последняя операция.

В середине 1950-х гг. была предложена обратная польская но­тация, или постфиксная форма записи, в которой знак операции стоит после операндов:

5   15+47+1-/

В этом случае также не нужны скобки, и выражение может быть вычислено за один просмотр с помощью стека следующим образом:

  • если очередной элемент — число (или переменная), он запи­сывается в стек;
  • если очередной элемент — операция, то она выполняется с
    верхними элементами стека, и после этого в стек помещает­
    ся результат выполнения этой операции.

Покажем, как работает этот алгоритм (стек «растёт» снизу вверх) (рис. 6.7).

В результате в стеке остаётся значение заданного выражения.

Скобочные выражения

Задача 2. Вводится символьная строка, в которой записано некоторое (арифметическое) выражение, использующее скобки трёх типов: О, [] и {(. Проверить, правильно ли расставлены скобки.

Например, выражение ()[{{>[]]] — правильное, потому что каждой открывающей скобке соответствует закрывающая, и вло­женность скобок не нарушается. Выражения

[( )      [ [ [ ( )      [ ( ) }       ) (     ( [ ) ]

неправильные. В первых трёх есть непарные скобки, а в послед­них двух не соблюдается вложенность скобок.

Начнём с задачи, в которой используется только один вид скобок. Её можно решить с помощью счётчика скобок. Сначала счётчик равен нулю. Строка просматривается слева направо, если очередной символ — открывающая скобка, то счётчик увеличива­ется на 1, если закрывающая — уменьшается на 1. В конце про­смотра счётчик должен быть равен нулю (все скобки парные), кроме того, во время просмотра он не должен становиться отрица­тельным (должна соблюдаться вложенность скобок).

В исходной задаче (с тремя типами скобок) хочется завести три счётчика и работать с каждым отдельно. Однако это решение неверное. Например, для выражения ({[)}] условия правильнос­ти выполняются отдельно для каждого вида скобок, но не для вы­ражения в пелом.

Задачи, в которых важна вложенность объектов, удобно ре­шать с помощью стека. Нас интересуют только открывающие и закрывающие скобки, на остальные символы можно не обращать внимания.

Строка просматривается слева направо. Если очередной сим­вол — открывающая скобка, нужно поместить её на вершину сте­ка. Если это закрывающая скобка, то проверяем, что лежит на вершине стека: если там соответствующая открывающая скобка, то её нужно просто снять со стека. Если стек пуст или на вершине лежит открывающая скобка другого типа, выражение неверное и нужно закончить просмотр. В конце обработки правильной стро­ки стек должен быть пуст. Кроме того, во время просмотра не должно быть ошибок. Работа такого алгоритма иллюстрируется на рисунке (для правильного выражения) (рис. 6.8).

Введём следующие переменные:

type  TStack=record

data:   array  of char;

size:   integer;

end;

Отличие стека s от стека в предыдущей задаче только в том, что он содержит не целые числа, а символы (типа char). Поэтому приводить подпрограммы Push и Pop мы не будем, вы можете их переделать самостоятельно. Для удобства добавим только логиче­скую функцию, которая возвращает значение True (истина), если стек пуст:

function   isEmpty(S:   TStack):   boolean;

begin

isEmpty:=(S.size=0);

end;

Введём строковые константы L и R, которые содержат все виды открывающих и соответствующих закрывающих скобок:

const L =   ' ( [ { ' ;

R = ' ) ] } ' ;

Объявим переменные основной программы:

var  S:   TStack;

р,   i:   integer;

str:   string;

err:   boolean;

с:   char;

Переменная str — это исходная строка. Логическая перемен­ная err будет сигнализировать об ошибке. Сначала ей присваи­вается значение False («ложь»).

В основном цикле меняется целая переменная i, которая обо­значает номер текущего символа, переменная р используется как вспомогательная:

Сначала мы ищем символ str[i] в строке L, т. е. среди открываю­щих скобок (строка 1). Если это действительно открывающая скобка, помещаем её в стек (2). Далее ищем символ среди закры­вающих скобок (3). Если нашли, то в первую очередь проверяем, не пуст ли стек. Бели стек пуст, выражение неверное и перемен­ная err принимает истинное значение. Если в стеке что-то есть, снимаем символ с вершины стека в символьную переменную с (6). В строке (7) сравнивается тип (номер) закрывающей скобки р и номер открывающей скобки, найденной на вершине стека. Если они не совпадают, выражение неправильное, и в переменную err записывается значение True. Если при обработке текущего симво­ла обнаружено, что выражение неверное (значение переменной errTrue), нужно закончить цикл досрочно с помощью операто­ра break (8).

В конце программы остаётся вывести результат на экран:

if not  err

then writeln('Выражение правильное.')

else writeln('Выражение неправильное.');

Очереди, деки

Все мы знакомы с принципом очереди: первый пришёл — первый обслужен (англ. FIFO: First InFirst Out). Соответ­ствующая структура данных в информатике тоже называется оче­редью.

Очередь — это линейный список, для которого введены две операции:

  • добавление нового элемента в конец очереди;
  • удаление первого элемента из очереди.

Очередь — это не просто теоретическая модель. Операционные системы используют очереди для организации сообщений между программами: каждая программа имеет свою очередь сообщений. Контроллеры жёстких дисков формируют очереди запросов ввода и вывода данных. В сетевых маршрутизаторах создаётся очередь из пакетов данных, ожидающих отправки.

Задача 3. Рисунок задан в виде матрицы А, в которой эле­мент А[у, х] определяет цвет пикселя (х, у) на пересечении стро­ки у и столбца х. Требуется перекрасить в цвет 2 одноцветную об­ласть, начиная с пикселя 0, у0). На рисунке 6.9 показан резуль­тат такой заливки для матрицы из 5 строк и 5 столбцов с начальной точкой (2,1).

Эта задача актуальна для графических программ. Один из возможных вариантов решения использует очередь, элементы ко­торой — координаты пикселей (точек):

добавить в очередь точку (х0,уо) запомнить цвет начальной точки нц пока  очередь   не  пуста

взять  из  очереди точку   (х,у)

если А[у,х]=цвету начальной  точки то

А[у,х]:=2;

добавить в очередь точку (х-1,у)

добавить в очередь точку (х+1,у)

добавить в очередь точку (х,у-1)

добавить в очередь точку (х,у+1)

все

кц

Конечно, в очередь добавляются только те точки, которые нахо­дятся в пределах рисунка (матрицы А). Заметим, что в этом алго­ритме некоторые точки могут быть добавлены в очередь несколь­ко раз (подумайте, когда это может случиться). Поэтому алгоритм можно несколько улучшить, как-то помечая точки, уже добавлен­ные в очередь, чтобы не добавлять их повторно (попробуйте сде­лать это самостоятельно).

Две координаты точки связаны между собой, поэтому в про­грамме лучше объединить их в структуру TPoint (от англ. point — точка), а очередь составить из таких структур:

Type  TPoint  =  record

х,    у:    integer;

end;

TQueue  = record

data:   array of  TPoint;

size:   integer

end;

Для   удобства   построим   функцию   Point,   которая   формирует структуру типа TPoint по заданным координатам:

function   Point(x,у:   integer):   TPoint;

begin

Point.x:=x;

Point.у:=у

end;

Для работы с очередью, основанной на динамическом массиве, введём две подпрограммы:

  • процедура Put добавляет новый элемент в конец очереди;
    если нужно, массив расширяется блоками по 10 элементов;
  • функция Get возвращает первый элемент очереди и удаляет
    его из очереди (обработку ошибки «очередь пуста» вы мо­
    жете   сделать   самостоятельно);   все   следующие   элементы
    сдвигаются к началу массива.

procedure   Putfvar Q:   TQueue;   pt:   TPoint);

begin

if Q.size  > High(Q.data)   then

SetLength(Q-data,   Length(Q.data)+10);

Q.data[Q.size]:=pt;

Q. size:=Q.size+1

end;

function  Get(var  Q:TQueue):   TPoint;

var   i:   integer;

begin

Get:=Q.data[0];

Q.size:=Q.size-l; for   i:=0   to  Q.Size-1  do

Q.data[i]:=Q.data[i+1]

end;

Остаётся написать основную программу- Объявляем константы и переменные:

const  ХМАХ   =   5;   УМАХ   =   5;

NEW_COLOR   =   2;

var  Q:   TQueue;

xO,    yO,    color:    integer;

A:   array[1..YMAX,1..XMAX]   of  integer;

pt:   TPoint;

Предположим, что матрица А заполнена. Задаём исходную точку, с которой начинается заливка, запоминаем её «старый» цвет и до­бавляем эту точку в очередь:

хО:=2;   у0:=1; color:~A[yO,xO];

Put[Q,Point(хО,yO)) ;

Основной цикл практически повторяет алгоритм на псевдокоде:

while  not  isEmpty(Q)   do begin

pt:=Get <Q);

if  A[pt.y,pt.x]=color  then begin

A[pt.y,pt.x]:=NEW_COLOR;

if pt.x>l then Put(Q,Point(pt.x-l,pt.y));

if pt.x<XMAX then Put(Q,Point(pt.x+1,pt.y));

if pt.y>l then Put(Q,Point(pt.x,pt.y-l));

if pt.y<YMAX then Put(Q,Point(pt.x,pt.y+l))

end

end;

Здесь функция isEmpty — такая же, как и для стека: возвращает True, если очередь пуста (поле size равно нулю).

В приведённом примере начало очереди всегда совпадает с первым элементом массива (имеющим индекс 0). При этом уда­ление элемента иа очереди неэффективно, потому что требуется сдвинуть все оставшиеся элементы к началу массива.Существует  и другой подход, при котором элементы очереди не передвигаются.  . Допустим, что мы знаем, что количечество элементов в очереди всегда меньше N. Тогда можно выделить статический массив из N элементов (с индексами от 1 до N) и хранить в отдельных переменных номера первого элемента очереди ( "головы", англ. head) и последнего элемента ("хвоста", англ. tail). На рисунке 6.10, a показана из 5 элеметов. В этом случае удаление элемента из очереди сводится просто к увеличению переменной  Head (рис. 6.10,б).

При добавлении элемента в конец очереди переменная Tail увели­чивается на 1. Если она перед этим указывала на последний эле­мент массива, то следующий элемент записывается в начало масси­ва, а переменной Tail присваивается значение 1. Таким образом, массив оказывается замкнутым «в кольцо*. На рисунке 6.10, в по­казана целиком заполненная очередь, а на рис. 6.10, г — пустая очередь. Один элемент массива всегда остаётся незанятым, иначе невозможно будет различить состояния «очередь пуста» и «очередь заполнена».

Отметим, что приведённая здесь модель описывает работу кольцевого буфера клавиатуры, который может хранить до 15 двухбайтных слов.

Кроме того, очередь можно построить на основе связного спис­ка (см. § 41). Детали такой реализации можно найти в литературе или в Интернете.

Существует еще одна линейная динамическая структура дан­ных, которая называется дек.

Дек — это линейный список, в котором можно добавлять и удалять элементы как с одного, так и с другого конца.

Из этого определения следует, что дек может работать и как стек, и как очередь. С помощью дека можно, например, моделировать колоду игральных карт.

К прошлому параграфу

К следующему параграфу 

 

Block title

Вход на сайт

Поиск

Календарь

«  Декабрь 2024  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
      1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031

Архив записей

Статистика


Онлайн всего: 25
Гостей: 25
Пользователей: 0