9.2. Стеки и очереди

9.2. Стеки и очереди

Стеки и очереди — это первые из встретившихся нам структур, которые, строго говоря, не встроены в Ruby. Иными словами, в Ruby нет классов Stack и Queue, в отличие от Array и Hash (впрочем, класс Queue есть в библиотеке thread.rb, которую мы еще будем рассматривать).

И все же в некотором смысле они встроены в Ruby. Ведь класс Array реализует всё, что нужно для того, чтобы рассматривать его как стек или очередь. Стек организован по принципу «последним пришел, первым обслужен» (LIFO — last-in first-out). Традиционный пример — стопка подносов на подпружиненной подставке в кафетерии: подносы кладутся сверху и сверху же снимаются.

Над стеком можно выполнять ограниченный набор операций. Как минимум операции заталкивания (push) и выталкивания (pop), то есть помещения в стек и извлечения из него. Обычно также предоставляется способ проверить, пуст ли стек, и исследовать верхний элемент, не извлекая его из стека. Но никогда реализация не позволяет получить доступ к элементу в середине стека.

Как же реализовать стек на базе массива, если к элементам массива можно обращаться в произвольном порядке, а стек таким свойством не обладает? Ответ прост. Стек — более абстрактная структура, чем массив. Он является стеком лишь до тех пор, пока мы обращаемся с ним как с таковым. В тот момент, когда вы пытаетесь обратиться к элементу недопустимым образом, стек перестает быть стеком.

Но можно без труда определить класс Stack так, что к элементам можно будет обращаться только законно. И мы покажем, как это сделать.

Стоит отметить, что во многих алгоритмах стек применяется как основа элегантного рекурсивного решения. Причина станет ясна, если чуточку подумать. При вызове функции или метода параметры заталкиваются в системный стек и выталкиваются из него при возврате. Таким образом, рекурсивный алгоритм просто подменяет явно определенный пользователем стек системным. Что лучше? Зависит от того, какое значение вы придаете понятности программы, ее эффективности и другим аспектам.

Очередь организована по принципу «первым пришел, первым обслужен» (FIFO — first-in first-out). Аналогом может служить очередь за билетами в театр: вновь подходящие становятся в конец очереди, а те, кто пришел раньше, обслуживаются первыми. В программировании очереди используются реже, чем стеки.

Очереди полезны в системах реального времени, когда события нужно обрабатывать в порядке возникновения. Находят они применение и в ситуации «производитель-потребитель» (особенно в многопоточных программах и многозадачных средах). Неплохой пример — очередь к принтеру: задания на печать помещаются в один конец и ожидают, пока не будут извлечены с другого конца.

Две основные операции над очередью называются «поместить» (enqueue) и «извлечь» (dequeue). Им соответствуют методы unpush и shift в классе Array.

Отметим, что метод unshift может использоваться в сочетании с shift при реализации массива, но никак не очереди, поскольку unshift добавляет элемент в тот же конец массива, из которого shift его удаляет. С помощью различных комбинаций этих методов можно реализовать и стек, и очередь, но рассматривать все возможные сочетания мы не будем.

На этом мы закончим введение в стеки и очереди. Самое время рассмотреть некоторые примеры.