Розуміння стеків у комп'ютерних науках з Ruby

У світі комп'ютерних наук структури даних є основою для ефективного зберігання та обробки інформації. Однією з найпоширеніших структур даних є стек. У цій статті ми розглянемо, що таке стек, як він працює, і як реалізувати його в Ruby. Давайте зануримось у цю тему!

Що таке стек?

Стек — це структура даних, яка працює за принципом "останній прийшов — перший вийшов" (LIFO, Last In First Out). Це означає, що останній елемент, який був доданий до стека, буде першим, який буде видалений. Стек можна уявити як стопку тарілок: ви можете додати нову тарілку лише зверху і зняти лише верхню тарілку.

Основні операції стека

Стек підтримує кілька основних операцій:

push: Додає елемент на верх стека.
pop: Видаляє верхній елемент зі стека і повертає його.
peek: Повертає верхній елемент стека, не видаляючи його.
is_empty: Перевіряє, чи стек порожній.

Реалізація стека в Ruby

Тепер, коли ми розуміємо, що таке стек і які операції він підтримує, давайте розглянемо, як реалізувати стек у Ruby. Ми створимо клас Stack, який реалізує всі основні операції.

class Stack
  def initialize
    @elements = []
  end

  def push(element)
    @elements.push(element)
  end

  def pop
    raise "Stack is empty" if is_empty?
    @elements.pop
  end

  def peek
    raise "Stack is empty" if is_empty?
    @elements.last
  end

  def is_empty?
    @elements.empty?
  end
end

Пояснення коду

У нашому класі Stack ми використовуємо масив @elements для зберігання елементів стека. Давайте розглянемо кожну з операцій:

initialize: Конструктор, який ініціалізує порожній масив для зберігання елементів.
push: Додає новий елемент до масиву, що представляє стек.
pop: Перевіряє, чи стек порожній, і, якщо ні, видаляє та повертає верхній елемент.
peek: Повертає верхній елемент стека без його видалення, перевіряючи, чи стек не порожній.
is_empty?: Повертає true, якщо стек порожній, і false в іншому випадку.

Приклад використання стека

Тепер, коли ми реалізували стек, давайте подивимося, як його можна використовувати в Ruby.

stack = Stack.new

stack.push(1)
stack.push(2)
stack.push(3)

puts "Верхній елемент: #{stack.peek}" # Виведе: Верхній елемент: 3

puts "Видалений елемент: #{stack.pop}" # Виведе: Видалений елемент: 3
puts "Верхній елемент після видалення: #{stack.peek}" # Виведе: Верхній елемент після видалення: 2

puts "Чи стек порожній? #{stack.is_empty?}" # Виведе: Чи стек порожній? false

stack.pop
stack.pop

puts "Чи стек порожній після видалення всіх елементів? #{stack.is_empty?}" # Виведе: Чи стек порожній після видалення всіх елементів? true

Пояснення прикладу

У цьому прикладі ми створюємо новий стек і додаємо до нього три елементи: 1, 2 та 3. Потім ми використовуємо метод peek, щоб подивитися, який елемент знаходиться на верху стека. Після цього ми видаляємо верхній елемент за допомогою pop і знову перевіряємо верхній елемент. Нарешті, ми перевіряємо, чи стек порожній, після видалення всіх елементів.

Застосування стеків

Стек є дуже корисною структурою даних, яка знаходить застосування в багатьох сферах програмування:

Обробка виразів: Стек використовується для обробки математичних виразів, особливо в алгоритмах, які реалізують обчислення зворотного польського запису.
Рекурсія: Стек використовується для зберігання контексту викликів функцій у рекурсивних алгоритмах.
Скасування дій: У графічних інтерфейсах користувача стек може використовуватися для реалізації функції скасування, де остання дія може бути скасована першою.
Перебір: Стек може бути використаний для реалізації алгоритмів перебору, таких як пошук у глибину (DFS).

Висновок

Стек — це потужна структура даних, яка є основою для багатьох алгоритмів і програмних рішень. У цій статті ми розглянули, що таке стек, як його реалізувати в Ruby, і де його можна використовувати. Сподіваємося, що ця інформація була корисною для вас, і ви зможете застосувати знання про стеки у своїх проектах!