परिचय

जबकि कुछ डेटा संरचनाएं बहुमुखी हैं और अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में उपयोग की जा सकती हैं, अन्य विशिष्ट हैं और विशिष्ट समस्याओं को संभालने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। ऐसी ही एक विशिष्ट संरचना है, जो अपनी सरलता तथा उल्लेखनीय उपयोगिता के लिए जानी जाती है धुआँरा.

तो, स्टैक क्या है? इसके मूल में, स्टैक एक रैखिक डेटा संरचना है जो निम्न का अनुसरण करती है LIFO (लास्ट इन फर्स्ट आउट) सिद्धांत. इसे एक कैफेटेरिया में प्लेटों के ढेर के रूप में सोचें; आप केवल वही प्लेट लेते हैं जो सबसे ऊपर है, और नई प्लेट रखते समय, यह स्टैक के शीर्ष पर चली जाती है।

जोड़ा गया अंतिम तत्व हटाया जाने वाला पहला तत्व है

लेकिन, स्टैक को समझना क्यों महत्वपूर्ण है? पिछले कुछ वर्षों में, स्टैक ने आपके पसंदीदा प्रोग्रामिंग भाषाओं में मेमोरी प्रबंधन से लेकर आपके वेब ब्राउज़र में बैक-बटन कार्यक्षमता तक, कई क्षेत्रों में अपने एप्लिकेशन ढूंढे हैं। यह आंतरिक सरलता, इसकी व्यापक प्रयोज्यता के साथ मिलकर, स्टैक को डेवलपर के शस्त्रागार में एक अनिवार्य उपकरण बनाती है।

इस गाइड में, हम स्टैक के पीछे की अवधारणाओं, उनके कार्यान्वयन, उपयोग के मामलों और बहुत कुछ के बारे में गहराई से जानेंगे। हम परिभाषित करेंगे कि स्टैक क्या हैं, वे कैसे काम करते हैं, और फिर, हम पायथन में स्टैक डेटा संरचना को लागू करने के दो सबसे सामान्य तरीकों पर एक नज़र डालेंगे।

स्टैक डेटा संरचना की मौलिक अवधारणाएँ

अपने सार में, एक स्टैक भ्रामक रूप से सरल है, फिर भी इसमें ऐसी बारीकियाँ हैं जो इसे कम्प्यूटेशनल डोमेन में बहुमुखी अनुप्रयोग प्रदान करती हैं। इसके कार्यान्वयन और व्यावहारिक उपयोग में गोता लगाने से पहले, आइए स्टैक के आसपास की मूल अवधारणाओं की एक ठोस समझ सुनिश्चित करें।

LIFO (अंतिम में पहले बाहर) सिद्धांत

LIFO स्टैक के पीछे मार्गदर्शक सिद्धांत है। इसका तात्पर्य यह है कि स्टैक में प्रवेश करने वाला अंतिम आइटम निकलने वाला पहला आइटम है। यह विशेषता स्टैक को अन्य रैखिक डेटा संरचनाओं, जैसे कतारों से अलग करती है।

नोट: स्टैक कैसे काम करता है इसकी अवधारणा के इर्द-गिर्द आपको मदद करने के लिए एक और उपयोगी उदाहरण यह कल्पना करना है कि लोग अंदर आ रहे हैं और बाहर आ रहे हैं लिफ्ट - लिफ्ट में प्रवेश करने वाला अंतिम व्यक्ति सबसे पहले बाहर निकलता है!

बुनियादी संचालन

प्रत्येक डेटा संरचना को उसके द्वारा समर्थित संचालन द्वारा परिभाषित किया जाता है। स्टैक के लिए, ये ऑपरेशन सीधे लेकिन महत्वपूर्ण हैं:

• धक्का - स्टैक के शीर्ष पर एक तत्व जोड़ता है। यदि स्टैक भरा हुआ है, तो इस ऑपरेशन के परिणामस्वरूप स्टैक ओवरफ़्लो हो सकता है।

• पॉप - स्टैक के सबसे ऊपरी तत्व को हटाता है और लौटाता है। यदि स्टैक खाली है, तो पॉप का प्रयास करने से स्टैक अंडरफ्लो हो सकता है।

• तिरछी नज़र (या शीर्ष) - शीर्षतम तत्व को हटाए बिना उसका अवलोकन करता है। यह ऑपरेशन तब उपयोगी होता है जब आप स्टैक की स्थिति में बदलाव किए बिना वर्तमान शीर्ष तत्व का निरीक्षण करना चाहते हैं।

अब तक, स्टैक डेटा संरचना और इसकी मूलभूत अवधारणाओं का महत्व स्पष्ट हो जाना चाहिए। जैसे-जैसे हम आगे बढ़ेंगे, हम इसके कार्यान्वयन में गहराई से उतरेंगे और इस बात पर प्रकाश डालेंगे कि ये मूलभूत सिद्धांत व्यावहारिक कोड में कैसे परिवर्तित होते हैं।

पायथन में स्क्रैच से स्टैक को कैसे कार्यान्वित करें

स्टैक के पीछे के मूलभूत सिद्धांतों को समझने के बाद, अब समय आ गया है कि हम अपनी आस्तीन ऊपर चढ़ाएं और चीजों के व्यावहारिक पक्ष में गहराई से उतरें। स्टैक को लागू करना, हालांकि सरल है, कई तरीकों से किया जा सकता है। इस अनुभाग में, हम स्टैक को लागू करने के दो प्राथमिक तरीकों का पता लगाएंगे - सरणियों और लिंक की गई सूचियों का उपयोग करके।

सरणियों का उपयोग करके एक स्टैक को कार्यान्वित करना

सारणियाँ, होना सन्निहित स्मृति स्थान, ढेर का प्रतिनिधित्व करने के लिए एक सहज साधन प्रदान करें। वे इंडेक्स द्वारा तत्वों तक पहुंचने के लिए ओ (1) समय जटिलता की अनुमति देते हैं, जिससे तेज पुश, पॉप और पीक ऑपरेशन सुनिश्चित होते हैं। इसके अलावा, ऐरे अधिक मेमोरी कुशल हो सकते हैं क्योंकि लिंक की गई सूचियों की तरह इसमें पॉइंटर्स का कोई ओवरहेड नहीं होता है।

दूसरी ओर, पारंपरिक सरणियों का एक निश्चित आकार होता है, जिसका अर्थ है कि एक बार आरंभ होने के बाद, उनका आकार बदला नहीं जा सकता है। इससे एक हो सकता है ढेर हो जाना यदि निगरानी नहीं की गई। इसे गतिशील सरणियों (पायथन की तरह) द्वारा दूर किया जा सकता है list), जो आकार बदल सकता है, लेकिन यह ऑपरेशन काफी महंगा है।

इन सब बातों को ध्यान में रखते हुए, आइए पायथन में सरणियों का उपयोग करके अपने स्टैक क्लास को लागू करना शुरू करें। सबसे पहले, आइए कंस्ट्रक्टर के साथ स्वयं एक क्लास बनाएं जो स्टैक के आकार को पैरामीटर के रूप में लेता है:

class Stack: def __init__(self, size): self.size = size self.stack = [None] * size self.top = -1

जैसा कि आप देख सकते हैं, हमने अपनी कक्षा में तीन मान संग्रहीत किए हैं। size स्टैक का वांछित आकार है, stack स्टैक डेटा संरचना का प्रतिनिधित्व करने के लिए उपयोग की जाने वाली वास्तविक सरणी है, और top में अंतिम तत्व का सूचकांक है stack सरणी (स्टैक का शीर्ष)।

अब से, हम प्रत्येक बुनियादी स्टैक ऑपरेशन के लिए एक विधि बनाएंगे और समझाएंगे। उनमें से प्रत्येक विधि इसके अंतर्गत समाहित होगी Stack कक्षा जो हमने अभी बनाई है।

के साथ शुरू करते हैं push() तरीका। जैसा कि पहले चर्चा की गई है, पुश ऑपरेशन स्टैक के शीर्ष पर एक तत्व जोड़ता है। सबसे पहले, हम जाँचेंगे कि क्या स्टैक में उस तत्व के लिए कोई जगह बची है जिसे हम जोड़ना चाहते हैं। यदि ढेर भर गया है, तो हम इसे बढ़ा देंगे Stack Overflow अपवाद। अन्यथा, हम केवल तत्व जोड़ देंगे और समायोजित कर देंगे top और stack तदनुसार:

def push(self, item): if self.top == self.size - 1: raise Exception("Stack Overflow") self.top += 1 self.stack[self.top] = item

अब, हम स्टैक के शीर्ष से किसी तत्व को हटाने की विधि को परिभाषित कर सकते हैं - द pop() तरीका। इससे पहले कि हम किसी तत्व को हटाने का प्रयास करें, हमें यह जांचना होगा कि स्टैक में कोई तत्व हैं या नहीं क्योंकि खाली स्टैक से किसी तत्व को पॉप करने का प्रयास करने का कोई मतलब नहीं है:

def pop(self): if self.top == -1: raise Exception("Stack Underflow") item = self.stack[self.top] self.top -= 1 return item

अंततः, हम इसे परिभाषित कर सकते हैं peek() वह विधि जो केवल उस तत्व का मान लौटाती है जो वर्तमान में स्टैक के शीर्ष पर है:

def peek(self): if self.top == -1: raise Exception("Stack is empty") return self.stack[self.top]

और बस! अब हमारे पास एक वर्ग है जो पायथन में सूचियों का उपयोग करके स्टैक के व्यवहार को लागू करता है।

लिंक्ड सूचियों का उपयोग करके एक स्टैक लागू करना

लिंक्ड सूचियाँ, किया जा रहा है गतिशील डेटा संरचनाएँ, आसानी से बढ़ और सिकुड़ सकता है, जो स्टैक को लागू करने के लिए फायदेमंद हो सकता है। चूँकि लिंक की गई सूचियाँ आवश्यकतानुसार मेमोरी आवंटित करती हैं, स्टैक स्पष्ट आकार बदलने की आवश्यकता के बिना गतिशील रूप से बढ़ और घट सकता है। स्टैक को लागू करने के लिए लिंक्ड सूचियों का उपयोग करने का एक अन्य लाभ यह है कि पुश और पॉप संचालन के लिए केवल सरल सूचक परिवर्तनों की आवश्यकता होती है। इसका नकारात्मक पक्ष यह है कि लिंक की गई सूची के प्रत्येक तत्व में एक अतिरिक्त पॉइंटर होता है, जो सरणियों की तुलना में अधिक मेमोरी की खपत करता है।

जैसा कि हम पहले ही चर्चा कर चुके हैं "पायथन लिंक्ड सूचियाँ" लेख में, पहली चीज़ जो हमें वास्तविक लिंक्ड सूची से पहले लागू करने की आवश्यकता होगी वह है एकल नोड के लिए एक वर्ग:

class Node: def __init__(self, data): self.data = data self.next = None

यह कार्यान्वयन डेटा के केवल दो बिंदुओं को संग्रहीत करता है - नोड में संग्रहीत मूल्य (data) और अगले नोड का संदर्भ (next).

पायथन में लिंक्ड सूचियों के बारे में हमारी 3-भाग श्रृंखला:

अब हम वास्तविक स्टैक क्लास पर ही आशा कर सकते हैं। कंस्ट्रक्टर पिछले वाले से थोड़ा अलग होगा। इसमें केवल एक वेरिएबल होगा - स्टैक के शीर्ष पर नोड का संदर्भ:

class Stack: def __init__(self): self.top = None

जैसी उम्मीद थी, push() विधि स्टैक के शीर्ष पर एक नया तत्व (इस मामले में नोड) जोड़ती है:

def push(self, item): node = Node(item) if self.top: node.next = self.top self.top = node

RSI pop() विधि जाँच करती है कि क्या स्टैक में कोई तत्व हैं और यदि स्टैक खाली नहीं है तो सबसे ऊपर वाले को हटा देता है:

def pop(self): if not self.top: raise Exception("Stack Underflow") item = self.top.data self.top = self.top.next return item

अंततः peek() विधि बस स्टैक के शीर्ष से तत्व का मान पढ़ती है (यदि कोई है):

def peek(self): if not self.top: raise Exception("Stack is empty") return self.top.data

नोट: दोनों का इंटरफ़ेस Stack कक्षाएं समान हैं - एकमात्र अंतर कक्षा विधियों के आंतरिक कार्यान्वयन का है। इसका मतलब है कि आप कक्षाओं के आंतरिक भाग की चिंता किए बिना विभिन्न कार्यान्वयनों के बीच आसानी से स्विच कर सकते हैं।

सरणियों और लिंक की गई सूचियों के बीच का चुनाव एप्लिकेशन की विशिष्ट आवश्यकताओं और बाधाओं पर निर्भर करता है।

पायथन की अंतर्निहित संरचनाओं का उपयोग करके स्टैक को कैसे कार्यान्वित करें

कई डेवलपर्स के लिए, स्क्रैच से स्टैक बनाना, शैक्षिक होते हुए भी, वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में स्टैक का उपयोग करने का सबसे प्रभावी तरीका नहीं हो सकता है। सौभाग्य से, कई लोकप्रिय प्रोग्रामिंग भाषाएं इन-बिल्ट डेटा संरचनाओं और कक्षाओं से सुसज्जित हैं जो स्वाभाविक रूप से स्टैक संचालन का समर्थन करती हैं। इस अनुभाग में, हम इस संबंध में पायथन की पेशकशों का पता लगाएंगे।

पायथन, एक बहुमुखी और गतिशील भाषा होने के कारण, इसमें कोई समर्पित स्टैक क्लास नहीं है। हालाँकि, इसकी अंतर्निहित डेटा संरचनाएँ, विशेष रूप से सूचियाँ और डेक वर्ग collections मॉड्यूल, आसानी से स्टैक के रूप में काम कर सकता है।

स्टैक के रूप में पायथन सूचियों का उपयोग करना

पायथन सूचियाँ अपनी गतिशील प्रकृति और विधियों की उपस्थिति के कारण काफी प्रभावी ढंग से एक स्टैक का अनुकरण कर सकती हैं append() और pop().

• पुश ऑपरेशन - स्टैक के शीर्ष पर एक तत्व जोड़ना उपयोग करने जितना ही सरल है append() तरीका:

  stack = []
  stack.append('A')
  stack.append('B')
  

• पॉप ऑपरेशन - सबसे ऊपरी तत्व को हटाकर इसका उपयोग किया जा सकता है pop() बिना किसी तर्क के विधि:

  top_element = stack.pop() 

• पीक ऑपरेशन पॉपिंग के बिना शीर्ष तक पहुंच नकारात्मक अनुक्रमण का उपयोग करके की जा सकती है:

  top_element = stack[-1] 

का प्रयोग Deque से कक्षा संग्रह मॉड्यूल

RSI deque (डबल-एंडेड कतार के लिए संक्षिप्त) क्लास स्टैक कार्यान्वयन के लिए एक और बहुमुखी उपकरण है। इसे दोनों सिरों से तेज़ एपेंड और पॉप के लिए अनुकूलित किया गया है, जो इसे सूचियों की तुलना में स्टैक संचालन के लिए थोड़ा अधिक कुशल बनाता है।

• आरंभीकरण:

  from collections import deque
  stack = deque()
  

• पुश ऑपरेशन - सूचियों के समान, append() विधि का प्रयोग किया जाता है:

  stack.append('A')
  stack.append('B')
  

• पॉप ऑपरेशन - सूचियों की तरह, pop() विधि कार्य करती है:

  top_element = stack.pop() 

• पीक ऑपरेशन - दृष्टिकोण सूचियों के समान ही है:

  top_element = stack[-1] 

कब कौन सा उपयोग करें?

हालाँकि सूचियों और डेक दोनों को स्टैक के रूप में उपयोग किया जा सकता है, यदि आप मुख्य रूप से संरचना को स्टैक के रूप में उपयोग कर रहे हैं (एक छोर से एपेंड और पॉप के साथ), deque इसके अनुकूलन के कारण यह थोड़ा तेज़ हो सकता है। हालाँकि, अधिकांश व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए और जब तक कि प्रदर्शन-महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों से निपटना न हो, पायथन की सूचियाँ पर्याप्त होनी चाहिए।

नोट: यह अनुभाग स्टैक-समान व्यवहार के लिए पायथन की अंतर्निहित पेशकशों पर प्रकाश डालता है। जब आपकी उंगलियों पर ऐसे शक्तिशाली उपकरण हों तो आपको पहिये को फिर से आविष्कार करने की आवश्यकता नहीं है (स्क्रैच से स्टैक लागू करके)।

संभावित स्टैक-संबंधित मुद्दे और उनसे कैसे निपटें

जबकि स्टैक अविश्वसनीय रूप से बहुमुखी और कुशल हैं, किसी भी अन्य डेटा संरचना की तरह, वे संभावित नुकसान से प्रतिरक्षित नहीं हैं। स्टैक के साथ काम करते समय इन चुनौतियों को पहचानना और उनसे निपटने के लिए रणनीतियाँ बनाना आवश्यक है। इस अनुभाग में, हम स्टैक से संबंधित कुछ सामान्य मुद्दों पर गौर करेंगे और उन्हें दूर करने के तरीकों का पता लगाएंगे।

स्टैक ओवरफ़्लो

यह तब होता है जब किसी तत्व को स्टैक पर धकेलने का प्रयास किया जाता है जो अपनी अधिकतम क्षमता तक पहुंच गया है। यह विशेष रूप से उन वातावरणों में एक समस्या है जहां स्टैक का आकार तय होता है, जैसे कुछ निम्न-स्तरीय प्रोग्रामिंग परिदृश्य या पुनरावर्ती फ़ंक्शन कॉल में।

यदि आप सरणी-आधारित स्टैक का उपयोग कर रहे हैं, तो गतिशील सरणी या लिंक्ड-सूची कार्यान्वयन पर स्विच करने पर विचार करें, जो स्वयं का आकार बदलते हैं। स्टैक ओवरफ्लो की रोकथाम में एक और कदम स्टैक के आकार की लगातार निगरानी करना है, खासकर पुश ऑपरेशंस से पहले, और स्टैक ओवरफ्लो के लिए स्पष्ट त्रुटि संदेश या संकेत प्रदान करना।

यदि अत्यधिक पुनरावर्ती कॉलों के कारण स्टैक ओवरफ़्लो होता है, तो पुनरावृत्त समाधानों पर विचार करें या यदि वातावरण अनुमति देता है तो पुनरावर्ती सीमा बढ़ाएँ।

स्टैक अंडरफ़्लो

ऐसा तब होता है जब किसी खाली स्टैक से किसी तत्व को पॉप करने का प्रयास किया जाता है। ऐसा होने से रोकने के लिए, पॉप या पीक ऑपरेशन निष्पादित करने से पहले हमेशा जांचें कि स्टैक खाली है या नहीं। एक स्पष्ट त्रुटि संदेश लौटाएँ या प्रोग्राम को क्रैश किए बिना अंडरफ्लो को शालीनता से संभालें।

ऐसे वातावरण में जहां यह स्वीकार्य है, ऑपरेशन की अमान्यता को इंगित करने के लिए खाली स्टैक से पॉपिंग करते समय एक विशेष मान वापस करने पर विचार करें।

स्मृति बाधाएँ

स्मृति-बाधित वातावरण में, यहां तक ​​​​कि गतिशील रूप से आकार बदलने वाले स्टैक (जैसे कि लिंक की गई सूचियों पर आधारित) के कारण स्मृति थकावट हो सकती है यदि वे बहुत बड़े हो जाते हैं। इसलिए, एप्लिकेशन के समग्र मेमोरी उपयोग और स्टैक की वृद्धि पर नज़र रखें। शायद स्टैक के आकार पर एक नरम टोपी लगाएं।

थ्रेड सुरक्षा संबंधी चिंताएँ

बहु-थ्रेडेड वातावरण में, विभिन्न थ्रेड्स द्वारा साझा स्टैक पर एक साथ संचालन से डेटा असंगतता या अप्रत्याशित व्यवहार हो सकता है। इस समस्या के संभावित समाधान ये हो सकते हैं:

• म्यूटेक्स और ताले - यह सुनिश्चित करने के लिए म्यूटेक्स (पारस्परिक बहिष्करण ऑब्जेक्ट) या लॉक का उपयोग करें कि एक निश्चित समय में केवल एक थ्रेड स्टैक पर संचालन कर सकता है।
• परमाणु संचालन - पुश और पॉप संचालन के दौरान डेटा स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए, यदि पर्यावरण द्वारा समर्थित हो, तो परमाणु संचालन का लाभ उठाएं।
• थ्रेड-स्थानीय ढेर - ऐसे परिदृश्यों में जहां प्रत्येक थ्रेड को अपने स्टैक की आवश्यकता होती है, प्रत्येक थ्रेड को उसका अलग स्टैक इंस्टेंस देने के लिए थ्रेड-लोकल स्टोरेज का उपयोग करने पर विचार करें।

जबकि स्टैक वास्तव में शक्तिशाली हैं, उनके संभावित मुद्दों के बारे में जागरूक होना और सक्रिय रूप से समाधान लागू करने से मजबूत और त्रुटि मुक्त अनुप्रयोग सुनिश्चित होंगे। इन कमियों को पहचानना आधी लड़ाई है - बाकी आधी लड़ाई उन्हें प्रभावी ढंग से संबोधित करने के लिए सर्वोत्तम प्रथाओं को अपनाना है।

निष्कर्ष

स्टैक, अपनी सरल प्रकृति के बावजूद, कंप्यूटिंग दुनिया में कई बुनियादी कार्यों का आधार हैं। जटिल गणितीय अभिव्यक्तियों को पार्स करने से लेकर फ़ंक्शन कॉल प्रबंधित करने तक, उनकी उपयोगिता व्यापक और आवश्यक है। जैसा कि हमने इस डेटा संरचना के अंदर और बाहर यात्रा की है, यह स्पष्ट है कि इसकी ताकत न केवल इसकी दक्षता में बल्कि इसकी बहुमुखी प्रतिभा में भी निहित है।

हालाँकि, सभी उपकरणों की तरह, इसकी प्रभावशीलता इस बात पर निर्भर करती है कि इसका उपयोग कैसे किया जाता है। बस यह सुनिश्चित करें कि आपको इसके सिद्धांतों, संभावित नुकसानों और सर्वोत्तम प्रथाओं की पूरी समझ हो ताकि आप स्टैक की वास्तविक शक्ति का उपयोग कर सकें। चाहे आप किसी को शुरुआत से लागू कर रहे हों या पायथन जैसी भाषाओं में अंतर्निहित सुविधाओं का लाभ उठा रहे हों, यह इन डेटा संरचनाओं का सावधानीपूर्वक अनुप्रयोग है जो आपके समाधानों को अलग करेगा।

• एसईओ संचालित सामग्री और पीआर वितरण। आज ही प्रवर्धित हो जाओ।
• प्लेटोडेटा.नेटवर्क वर्टिकल जेनरेटिव एआई। स्वयं को शक्तिवान बनाएं। यहां पहुंचें।
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• स्रोत: https://stackabuse.com/guide-to-stacks-in-python/