Co je to zásobník a jak funguje

Zásobník, neboli anglicky stack, je datová struktura, u níž je přesně určen způsob přidávání a odebírání prvků. U zásobníku je uplatněn způsob LIFO (last in, first out), česky "první dovnitř, poslední ven". Přesným opakem zásobníku je fronta, kde je uplatně způsob FIFO (first in, first out), o tom ale článek není. Pro lepší pochopení, jak zásobník funguje, si představte zásobník u pistole. Budeme-li do tohoto zásobníku ukládat náboje, vezmeme první, dáme jej do zásobníku a náboj spadne na dno zásobníku. Vezmeme druhý náboj, vložíme do zásobníku a druhý náboj zůstane ležet na prvním náboji. Celý tento postup opakujeme do doby, než bude zásobník pistole plný. Poslední náboj, který jsme do pistole vložili, bude tedy v zásobníku úplně nahoře. Způsob přidávání prvků do zásobníku jakožto do datové struktury je úplně stejný. Co se týče odebírání prvků ze zásobníku, opět jde o stejný způsob jako o odebrání (vystřelení) náboje ze zásobníku pistole. Vložíme-li zásobník do pistole a stiskneme-li spoušť, jako první vyletí námi naposledy přidaný náboj. Náboj, který jsme vložili jako první, přijde na řadu až jako poslední. V tom je tedy ukryt onen způsob LIFO. Námi první vložený náboj opustí zásobník až jako poslední a není jiná možnost, jak jej vyjmout předtím, než odstraníme náboje nad ním.

Nyní se seznámíme s několika pojmy, které se u zásobníku používají. Začneme ukazatelem na aktální prvek v zásobníku (to je ten, který jsme vložili jako poslední, čili je na vrcholu zásobníku), který se nazývá vrchol zásobníku, anglicky stack pointer. Metoda, určená pro přidávání prvků do zásobníku, se většinou nazývá push. Metodu, která se stará o vyjmutí prvků, nazýváme nejčastěji pop. Počet prvků v zásobníku je víceméně neomezený, jedinným omezením nám může být paměť počítače.

Jak lze zásobník implementovat

Způsob, jak implementovat zásobník, není víceméně dán nějak striktně, důležité pouze je, aby splňoval vlastnosti, které jsme si uvedli výše. Proto řešení, které uvádím zde, rozhodně není jediné, možností je více. Moje řešení spočívá v tom, že jsem si napsal třídu Stack, která vypadá takto:

class Stack { private: int stackPointer; int* items; int maxSize; public: Stack(int maxSize); int Pop(); void Push(int x); };
Takto jednoduše by mohla vypadat třída, reprezentující zásobník. Do tohoto zásobníku je možné ukládat pouze čísla typu int, nicméně pro pochopení by to mělo stačit. Věřím, že po přečtení článku budete schopni sami implementovat zásobník, do kterého bude možno uložit něco jiného.

Členská proměnná stackPointer si pamatuje číslo prvku, který byl přidán naposled. Slouží tedy jako vrchol zásobníku. Pointer items ukazuje na pole prvků zásobníku (v tuto chvíli ještě ne, po zavolání konstruktoru třídy však ano). Do proměnné maxSize se uloží velikost zásobníku. Nyní se tedy podívejme na těla metod a na tělo konstruktoru.

#include "Stack.h" #include "stdio.h" Stack::Stack(int maxSize) { this->maxSize = maxSize; stackPointer = 0; items = new int [maxSize]; } void Stack::Push(int x) { if (stackPointer == maxSize - 1) printf("Stack is full."); else { items[stackPointer + 1] = x; stackPointer++; } } int Stack::Pop() { if (stackPointer == 0) printf("Stack is empty."); else { stackPointer--; return items[stackPointer + 1]; } }
Konstruktor má jeden parametr, který určuje maximální velikost zásobníku. Tato hodnota se uloží do proměnné maxSize. Dále se v konstruktoru stanou dvě věci - alokuje se pole typu int o velikosti maxSize a proměnná stackPointer se nastaví na nulu, neboť právě vytvořený zásobník neobsahuje žádný prvek. Co se týče metody push, není na ní nic těžkého. Do pole items se uloží prvek x a hodnota proměnné stackPointer se zvýší o jedničku. Stejně jednoduchá jako metoda Push je jednoduchá i metoda Pop. Hodnota proměnné stackPointer se snižuje o jedničku, neboť prvek vyzvedáváme ze zásobníku. Všimněte si, že vyjmutý prvek v poli zůstane, nebude možné k němu však již přistoupit a při přidání nového prvku se tento prvek přepíše. V obou metodách je přidána podmínka, která ověřuje, jestli zásobník není prázdný, resp. plný.

Zásobník v praxi

Pevně věřím tomu, že jste pochopili, jak zásobník funguje a jak jej lze implementovat. Nezmínil jsem se však, kdy se nám zásobník může hodit. Úplně jednoduchým příkladem může být program, který umí vyhodnotit výraz v postfixové notaci. Pokud nevíte, jak postfixová notace vypadá, doporučuji se podívat zde.

Velmi zjednodušeně by se dal algoritmus popsat takto: celý řetězec (řetezcem je myšlen uživatelem zadaný výraz) si rozložíme na jednotlivá čísla a operátory, přičemž je budeme postupně procházet. Přečteme tedy první znak (buď číslo, nebo operátor) a pokud to bude číslo, uložíme jej na zásobník. V opačném případě se musí jednat o operátor, což pro nás znamená, že musíme provést nějakou operaci (záleží na tom, o jaký operátor se bude jednat). Předpokládejme, že se jedná o operátor plus. Vyzvedeme tedy ze zásobníku dvě čísla, která sečteme a výsledek uložíme zpět na zásobník. Celý tento postup budeme opakovat tak dlouho, dokud neprojdeme celý, uživatelem zadaný řetězec. Výsledek celého výrazu bude uložen v zásobníku. Zavoláme tedy metodu Pop a získáme konečný výsledek. Pro dokonalé pochopení si zkusme nyní vyhodnotit výraz 3 5 + 4 -.
Přečteme tedy první znak, to je číslo 3. Vzhledem k tomu, že je to číslo, uložíme jej na zásobník. Následuje číslo 5, které také uložíme na zásobník. V zásobníku tedy máme číslo 3 a nad ním číslo 5. Dalším znakem je operátor plus, takže potřebujeme ze zásobníku vyzvednout dvě hodnoty. Dostaneme číslo 3 a číslo 5. Pozor - je nutné si uvědomit, že v tuto chvíli je zásobník prázdný! Čísla 3 a 5 sečteme a výsledek (8) uložíme opět na zásobník. Nyní tedy máme v zásobníku jednu hodnotu, konkrétně číslo 8. Dalším znakem je číslo 4, uložíme jej na zásobník. Posledním znakem je operátor minus. Vezmeme dvě čísla ze zásobníku, tedy čísla 8 a 4 a provedeme výpočet 8 - 4, což je 4. Tuto hodnotu uložíme opět na zásobník. Další znaky v řetězci nemáme, proto zavoláme metodu Pop, která nám vyzvedne prvek ze záobníku, který je výsledkem celého výrazu - jde o číslo 4, což je správný výsledek.

Pozn.: Celý algoritmus bude správně fungovat pouze za předpokladu, že uživatel zadá výraz správně. Zachycení výjimek není žádná složitá věc a k použití zásobníku se nevztahuje, proto jsem to zde nezmiňoval.

Pokud jste pochopili způsob vyhodnocování postfixového výrazu, určitě zvládnete výše uvedený algoritmus přepsat na zdrojový kód, nicméně i přesto si jej můžete stáhnout a podívat se, jak by to mohlo vypadat. Jen ještě jednou opakuji, program není ošetřen proti nesprávným vstupům a akceptuje pouze operátory plus a minus. Způsob, jakým dopsat chybějící operátory je velmi snadný, víceméně podobný jako způsob, jakým jsou napsány operátory plus a minus.

Zdrojové kódy: Postfix.rar