Стек

Стек — это структура данных, организующая хранение, обработку элементов по принципу строгой последовательности. Она определяет порядок доступа к данным, правила их извлечения, но не зависит от конкретного языка программирования. Стек относится к абстрактным структурам, используется как модель размещения и обработки информации в памяти. Он применяется для хранения значений, состояний, адресов возврата, промежуточных результатов и других временных данных.

Принцип работы

Основу составляет правило LIFO (Last In, First Out). Последний добавленный элемент извлекается первым. Доступ к ним возможен только через вершину стека. Получение данных из середины или начала структуры невозможно.

Работа строится на линейной зависимости. Каждый новый элемент размещается поверх предыдущего и становится текущей точкой доступа. После извлечения элемента он удаляется, а доступ переходит к следующему по порядку.

Основные свойства стека:

• строгий порядок доступа;

• отсутствие произвольного чтения;

• работа только с вершиной;

• последовательное добавление, удаление данных.

По логике функционирования стек противопоставляется очереди. В очереди данные обрабатываются в порядке поступления, а в стеке — в обратной временной последовательности.

Операции

Работа со стеком реализуется через ограниченный набор операций. Эти операции не зависят от способа реализации структуры.

Ключевые операции:

• push — добавление элемента в вершину стека;

• pop — удаление, получение верхнего элемента;

• peek или top — просмотр верхнего элемента без удаления;

• isEmpty — проверка на отсутствие элементов;

• isFull — проверка переполнения (актуально для массивов).

Каждая операция выполняется за постоянное время, так как обращение происходит только к одной позиции в памяти.

Разновидности

В прикладных системах используются разные типы стеков, отличающиеся назначением, областью применения. Наиболее распространенное деление включает стеки вызовов и данных.

Стек вызовов

Это участок оперативной памяти, в котором сохраняются данные, связанные с выполнением функций и подпрограмм. Он используется процессором и средой исполнения для контроля последовательности выполнения инструкций.

В этой области хранятся:

• адрес, по которому программа продолжит работу после выхода из функции;

• значения локальных переменных;

• переданные аргументы;

• промежуточные результаты вычислений.

При обращении к функции ее рабочее состояние заносится в стек. После завершения выполнения запись удаляется, и выполнение кода продолжается с сохраненного адреса. Последовательные вызовы функций образуют цепочку записей, которая последовательно освобождается при возврате управления.

Стек вызовов обеспечивает:

• корректную работу рекурсии;

• изоляцию локальных данных;

• контроль последовательности выполнения.

Стек данных

Применяется для хранения пользовательских или системных значений. Он используется в алгоритмах, выражениях, вычислениях и структурах управления.

Характерные области применения:

• обработка арифметических выражений;

• хранение временных значений;

• реализация алгоритмов обхода;

• работа с вложенными структурами.

По принципу работы не отличается от стека вызовов, но его содержимое и назначение определяются логикой программы.

Переполнение стека

Использует ограниченный объем оперативной памяти. При превышении допустимого размера возникает переполнение стека. Это состояние приводит к нарушению работы программы и может вызвать аварийное завершение процесса.

Основные причины переполнения:

• бесконечная или слишком глубокая рекурсия;

• большое количество вложенных вызовов;

• отсутствие контроля размера структуры;

• ошибки логики при добавлении элементов.

Последствия переполнения включают:

• перезапись данных в соседних областях памяти;

• некорректное выполнение инструкций;

• сбои приложения;

• критические ошибки системы.

Для предотвращения переполнения применяются проверки глубины вызовов, ограничение размера стека и замена рекурсии итеративными алгоритмами.

Реализация

Стек может быть реализован различными способами в зависимости от требований к производительности, гибкости и объему памяти. Выбор реализации влияет на поведение структуры и обработку граничных условий.

Реализация на массиве

Реализация на массиве использует фиксированный блок памяти. Элементы размещаются последовательно, а индекс вершины указывает на текущий верхний элемент.

Основные характеристики:

• фиксированный размер;

• высокая скорость доступа;

• необходимость контроля переполнения;

• простота реализации.

Пустой стек определяется состоянием, при котором индекс вершины указывает на начальную позицию. Попытка извлечения элемента из пустого стека приводит к ошибке.

Реализация на динамическом массиве

Динамический массив расширяет возможности классической реализации. Размер структуры может увеличиваться по мере необходимости, что снижает риск переполнения.

Преимущества подхода:

• автоматическое расширение;

• гибкость использования памяти;

• сохранение высокой производительности.

Недостатком является дополнительная нагрузка при перераспределении памяти и копировании элементов.

Реализация на списке

Реализация на связном списке использует узлы, связанные указателями. Вершина стека соответствует головному элементу списка.

Особенности реализации:

• отсутствие фиксированного размера;

• добавление и удаление за постоянное время;

• дополнительная память под указатели.

Добавление элемента происходит путем создания нового узла, который становится новой вершиной. Удаление возвращает управление к предыдущему узлу.

Области применения стека

Стек широко используется в системном и прикладном программировании. Его свойства позволяют эффективно управлять временными данными и вложенными процессами.

Типичные сценарии использования:

• обработка вызовов функций;

• реализация рекурсии;

• отмена действий;

• анализ синтаксических конструкций;

• выполнение алгоритмов поиска и обхода;

• хранение промежуточных состояний.

Стек остается одной из базовых структур данных, на которой строится работа программных систем, компиляторов, интерпретаторов и операционных сред.

У слова "стек" может быть несколько значений, предлагаю остановиться на технологическом стеке (стеке технологий).

Технологический стек - это совокупность языков программирования, фреймворков/библиотек и инструментов, применяемых на проекте.

Используемый стек обычно указывается в описании вакансии. Например, типичный стек фронтенд-разработчика может выглядеть так:

• TypeScript
• React
• MobX
• HTML, CSS
• yarn, vite
• Gitlab + CI/CD, Jira, Confluence