W informatyce struktury danych to podstawowe pojęcia, które mają kluczowe znaczenie dla wydajnego organizowania i przechowywania danych. Wśród różnych struktur danych, półki na książki I ogony to dwie z najbardziej podstawowych, ale niezbędnych struktur używanych w programowaniu i projektowaniu algorytmów. Pomimo swojej prostoty stanowią one szkielet wielu złożonych systemów i aplikacji. W tym artykule przedstawiono różnice między stos I kolejka struktury danych, badanie ich cech, operacji i przypadków użycia.
Półki na książki
Stos to liniowa struktura danych zgodna z zasadą LIFO (ostatnie weszło, pierwsze wyszło). Oznacza to, że ostatni element dodany do stosu jest pierwszym, który zostanie usunięty. Można to sobie wyobrazić jako stos talerzy, z którego można jedynie dodać lub usunąć górną płytę.
Operacje na stosie:
Podstawowe operacje związane ze stosem to:
- Naciskać : Dodaje element na górę stosu.
- Muzyka pop : Usuwa i zwraca górny element stosu.
- Zerknij (lub z góry) : Zwraca górny element stosu bez jego usuwania.
- Jest pusty : Sprawdza, czy stos jest pusty.
- Rozmiar : Zwraca liczbę elementów na stosie.
Przypadki użycia stosu:
Stosy są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, w tym:
- Zarządzanie wywołaniami funkcji : Stos wywołań w językach programowania śledzi wywołania funkcji i zwroty.
- Ocena wyrażeń : Używany do analizowania wyrażeń i oceniania notacji przyrostkowej lub przedrostkowej.
- Cofanie się : Pomaga w algorytmach wymagających zbadania wszystkich możliwości, takich jak rozwiązywanie labiryntów i przeszukiwanie w głąb.
Ogony
A kolejka to liniowa struktura danych zgodna z zasadą „pierwsze weszło, pierwsze wyszło” (FIFO). Oznacza to, że pierwszy element dodany do kolejki jest pierwszym, który zostanie usunięty. Można to sobie wyobrazić jako kolejkę osób oczekujących na usługę, gdzie pierwsza osoba w kolejce jest pierwszą obsłużoną.
Operacje na kolejce:
Podstawowe operacje związane z kolejką to:
- Kolejkuj : Dodaje element na koniec (z tyłu) kolejki.
- Odpowiednio : Usuwa i zwraca przedni element kolejki.
- Przód (lub podgląd) : Zwraca przedni element kolejki bez jego usuwania.
- Jest pusty : Sprawdza, czy kolejka jest pusta.
- Rozmiar : Zwraca liczbę elementów w kolejce.
Przypadki użycia kolejki:
Kolejki są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, w tym:
- Harmonogramowanie zadań : Systemy operacyjne wykorzystują kolejki do zarządzania zadaniami i procesami.
- Wyszukiwanie wszerz (BFS) : W algorytmach przechodzenia grafów kolejki pomagają w eksploracji węzłów poziom po poziomie.
- Buforowanie : Używany w sytuacjach, gdy dane są przesyłane asynchronicznie, np. w przypadku buforów we/wy i buforowania wydruku.
Kluczowe różnice między stosem a kolejką
Oto tabela przedstawiająca kluczowe różnice między strukturami danych stosu i kolejki:
| Funkcja | Stos | Kolejka |
|---|---|---|
| Definicja | Liniowa struktura danych zgodna z Ostatnie weszło, pierwsze wyszło (LIFO) zasada. | Liniowa struktura danych zgodna z Pierwsze weszło, pierwsze wyszło (FIFO) zasada. |
| Operacje podstawowe | Push (dodaj element), Pop (usuń element), Peek (wyświetl element na górze) | Umieść w kolejce (dodaj element), Usuń z kolejki (usuń element), Przód (wyświetl pierwszy element), Tył (wyświetl ostatni element) |
| Wkładanie/Usuwanie | Elementy są dodawane i usuwane z tego samego końca (od góry). | Elementy dodawane są z tyłu i usuwane z przodu. |
| Przypadków użycia | Zarządzanie wywołaniami funkcji (stos wywołań), ocena wyrażeń i analiza składni, mechanizmy cofania w edytorach tekstu. | Planowanie procesów w systemach operacyjnych, zarządzanie żądaniami w kolejce drukarki, przeszukiwanie wszerz na wykresach. |
| Przykłady | Historia przeglądarki (przycisk Wstecz), odwracanie słowa. | Linie obsługi klienta, planowanie zadań procesora. |
| Analogia ze świata rzeczywistego | Stos talerzy: dodajesz i usuwasz talerze od góry. | Kolejka przy kasie biletowej: pierwsza osoba w kolejce zostanie obsłużona jako pierwsza. |
| Złożoność (zamortyzowana) | Naciskać: O(1), Muzyka pop: O(1), Zerkać: O(1) | Kolejka: O(1), Odpowiednio: O(1), Przód: O(1), Tył: O(1) |
| Struktura pamięci | Zwykle wykorzystuje ciągły blok pamięci lub połączoną listę. | Zwykle używa bufora cyklicznego lub połączonej listy. |
| Realizacja | Można to zaimplementować przy użyciu tablic lub list połączonych. | Można to zaimplementować przy użyciu tablic, list połączonych lub buforów cyklicznych. |
Wniosek
Stosy i kolejki to podstawowe struktury danych, które służą różnym celom w oparciu o ich unikalne cechy i operacje. Stosy działają zgodnie z zasadą LIFO i służą do cofania się, zarządzania wywołaniami funkcji i oceny wyrażeń. Kolejki działają zgodnie z zasadą FIFO i są używane do planowania zadań, zarządzania zasobami i algorytmów wyszukiwania wszerz. Zrozumienie różnic pomiędzy tymi dwiema strukturami danych pomaga w wyborze odpowiedniej dla konkretnych zastosowań, co prowadzi do bardziej wydajnych i efektywnych rozwiązań programistycznych.