Guía de pilas en Python

Introducción

Si bien algunas estructuras de datos son versátiles y pueden usarse en una amplia gama de aplicaciones, otras están especializadas y diseñadas para manejar problemas específicos. Una de esas estructuras especializadas, conocida por su simplicidad pero su notable utilidad, es la montón.

Entonces, ¿qué es una pila? En esencia, una pila es una estructura de datos lineal que sigue la LIFO Principio (el último en entrar, el primero en salir). Piense en ello como una pila de platos en una cafetería; solo se toma el plato que está encima, y ​​al colocar un plato nuevo, este va a la parte superior de la pila.

El último elemento agregado es el primer elemento que se eliminará.

Pero, ¿por qué es crucial comprender la pila? A lo largo de los años, las pilas han encontrado sus aplicaciones en una gran cantidad de áreas, desde la gestión de memoria en sus lenguajes de programación favoritos hasta la funcionalidad del botón Atrás en su navegador web. Esta simplicidad intrínseca, combinada con su amplia aplicabilidad, hace que la pila sea una herramienta indispensable en el arsenal de un desarrollador.

En esta guía, profundizaremos en los conceptos detrás de las pilas, su implementación, casos de uso y mucho más. Definiremos qué son las pilas, cómo funcionan y luego veremos dos de las formas más comunes de implementar la estructura de datos de la pila en Python.

Conceptos fundamentales de una estructura de datos de pila

En esencia, una pila es engañosamente simple, pero posee matices que le otorgan aplicaciones versátiles en el dominio computacional. Antes de profundizar en sus implementaciones y usos prácticos, asegurémonos de una comprensión sólida de los conceptos centrales que rodean las pilas.

El principio LIFO (el último en entrar, el primero en salir)

LIFO es el principio rector detrás de una pila. Implica que el último elemento en entrar a la pila es el primero en salir. Esta característica diferencia las pilas de otras estructuras de datos lineales, como las colas.

Operaciones básicas

Cada estructura de datos está definida por las operaciones que admite. Para las pilas, estas operaciones son sencillas pero vitales:

• Push – Agrega un elemento a la parte superior de la pila. Si la pila está llena, esta operación podría provocar un desbordamiento de la pila.

• Pop – Elimina y devuelve el elemento superior de la pila. Si la pila está vacía, intentar hacer un pop puede provocar un desbordamiento insuficiente de la pila.

• Vistazo (o arriba) – Observa el elemento superior sin quitarlo. Esta operación es útil cuando desea inspeccionar el elemento superior actual sin alterar el estado de la pila.

A estas alturas, la importancia de la estructura de datos de la pila y sus conceptos fundamentales debería ser evidente. A medida que avancemos, profundizaremos en sus implementaciones, arrojando luz sobre cómo estos principios fundamentales se traducen en código práctico.

Cómo implementar una pila desde cero en Python

Habiendo comprendido los principios fundamentales detrás de las pilas, es hora de arremangarse y profundizar en el lado práctico de las cosas. La implementación de una pila, si bien es sencilla, se puede abordar de varias maneras. En esta sección, exploraremos dos métodos principales para implementar una pila: usando matrices y listas vinculadas.

Implementando una pila usando matrices

matrices, siendo ubicaciones de memoria contiguas, ofrece un medio intuitivo para representar pilas. Permiten una complejidad de tiempo O(1) para acceder a elementos por índice, lo que garantiza operaciones rápidas de inserción, extracción y visualización. Además, las matrices pueden ser más eficientes en cuanto a memoria porque no hay sobrecarga de punteros como en las listas vinculadas.

Por otro lado, las matrices tradicionales tienen un tamaño fijo, lo que significa que una vez inicializadas, no se puede cambiar su tamaño. Esto puede llevar a una desbordamiento de pila si no se monitorea. Esto se puede superar mediante matrices dinámicas (como las de Python). list), que se puede cambiar de tamaño, pero esta operación es bastante costosa.

Una vez aclarado todo esto, comencemos a implementar nuestra clase de pila usando matrices en Python. En primer lugar, creemos una clase propia, con el constructor que toma el tamaño de la pila como parámetro:

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

Como puede ver, almacenamos tres valores en nuestra clase. El size es el tamaño deseado de la pila, el stack es la matriz real utilizada para representar la estructura de datos de la pila, y la top es el índice del último elemento del stack matriz (la parte superior de la pila).

De ahora en adelante, crearemos y explicaremos un método para cada una de las operaciones básicas de la pila. Cada uno de esos métodos estará contenido dentro del Stack clase que acabamos de crear.

Vamos a empezar con el push() método. Como se analizó anteriormente, la operación de inserción agrega un elemento a la parte superior de la pila. En primer lugar, comprobaremos si en la pila queda espacio para el elemento que queremos agregar. Si la pila está llena, subiremos el Stack Overflow excepción. De lo contrario, simplemente agregaremos el elemento y ajustaremos el top y stack en consecuencia:

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

Ahora, podemos definir el método para eliminar un elemento de la parte superior de la pila: el pop() método. Antes incluso de intentar eliminar un elemento, necesitaríamos verificar si hay elementos en la pila porque no tiene sentido intentar extraer un elemento de una pila vacía:

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

Finalmente, podemos definir la peek() método que simplemente devuelve el valor del elemento que se encuentra actualmente en la parte superior de la pila:

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

¡Y eso es! Ahora tenemos una clase que implementa el comportamiento de pilas usando listas en Python.

Implementación de una pila mediante listas enlazadas

Listas enlazadas, siendo estructuras de datos dinámicas, puede crecer y reducirse fácilmente, lo que puede resultar beneficioso para implementar pilas. Dado que las listas vinculadas asignan memoria según sea necesario, la pila puede crecer y reducirse dinámicamente sin la necesidad de un cambio de tamaño explícito. Otro beneficio de usar listas vinculadas para implementar pilas es que las operaciones push y pop solo requieren cambios simples de puntero. La desventaja de esto es que cada elemento de la lista vinculada tiene un puntero adicional, lo que consume más memoria en comparación con las matrices.

Como ya comentamos en el “Listas enlazadas de Python” artículo, lo primero que necesitaríamos implementar antes de la lista enlazada real es una clase para un solo nodo:

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

Esta implementación almacena solo dos puntos de datos: el valor almacenado en el nodo (data) y la referencia al siguiente nodo (next).

Ahora podemos saltar a la clase de pila real. El constructor será un poco diferente al anterior. Contendrá sólo una variable: la referencia al nodo en la parte superior de la pila:

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

Como se esperaba, el push() El método agrega un nuevo elemento (nodo en este caso) a la parte superior de la pila:

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

La pop() El método comprueba si hay elementos en la pila y elimina el superior si la pila no está vacía:

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

Finalmente, la peek() El método simplemente lee el valor del elemento desde la parte superior de la pila (si hay uno):

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

La elección entre matrices y listas enlazadas depende de los requisitos y limitaciones específicos de la aplicación.

Cómo implementar una pila usando las estructuras integradas de Python

Para muchos desarrolladores, crear una pila desde cero, si bien es educativo, puede no ser la forma más eficiente de utilizar una pila en aplicaciones del mundo real. Afortunadamente, muchos lenguajes de programación populares vienen equipados con clases y estructuras de datos integradas que naturalmente admiten operaciones de pila. En esta sección, exploraremos las ofertas de Python a este respecto.

Python, al ser un lenguaje versátil y dinámico, no tiene una clase de pila dedicada. Sin embargo, sus estructuras de datos integradas, en particular las listas y la clase deque del collections módulo, pueden servir sin esfuerzo como pilas.

Usar listas de Python como pilas

Las listas de Python pueden emular una pila con bastante eficacia debido a su naturaleza dinámica y la presencia de métodos como append() y pop().

• Operación de empuje – Agregar un elemento a la parte superior de la pila es tan simple como usar el append() método:

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

• Operación pop – La eliminación del elemento superior se puede lograr utilizando el pop() método sin ningún argumento:

  top_element = stack.pop() 

• Operación de vistazo Se puede acceder a la parte superior sin aparecer utilizando la indexación negativa:

  top_element = stack[-1] 

Usar deque Clase de colecciones Módulo

La deque (abreviatura de cola de doble extremo) es otra herramienta versátil para implementaciones de pila. Está optimizado para adiciones y pops rápidos desde ambos extremos, lo que lo hace ligeramente más eficiente para operaciones de pila que las listas.

• Inicialización:

  from collections import deque
  stack = deque()
  

• Operación de empuje – Similar a las listas, append() Se utiliza el método:

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

• Operación pop – Como listas, pop() El método hace el trabajo:

  top_element = stack.pop() 

• Operación de vistazo – El enfoque es el mismo que con las listas:

  top_element = stack[-1] 

¿Cuándo utilizar cuál?

Si bien tanto las listas como los deques se pueden usar como pilas, si usa principalmente la estructura como una pila (con anexos y elementos emergentes desde un extremo), la deque puede ser un poco más rápido debido a su optimización. Sin embargo, para la mayoría de los propósitos prácticos y a menos que se trate de aplicaciones críticas para el rendimiento, las listas de Python deberían ser suficientes.

Posibles problemas relacionados con la pila y cómo superarlos

Si bien las pilas son increíblemente versátiles y eficientes, como cualquier otra estructura de datos, no son inmunes a posibles obstáculos. Es esencial reconocer estos desafíos cuando se trabaja con pilas y contar con estrategias para abordarlos. En esta sección, profundizaremos en algunos problemas comunes relacionados con la pila y exploraremos formas de superarlos.

desbordamiento de pila

Esto ocurre cuando se intenta empujar un elemento a una pila que ha alcanzado su capacidad máxima. Es especialmente un problema en entornos donde el tamaño de la pila es fijo, como en ciertos escenarios de programación de bajo nivel o llamadas a funciones recursivas.

Si está utilizando pilas basadas en matrices, considere cambiar a matrices dinámicas o implementaciones de listas vinculadas, que cambian de tamaño. Otro paso para prevenir el desbordamiento de la pila es monitorear continuamente el tamaño de la pila, especialmente antes de las operaciones de inserción, y proporcionar mensajes de error claros o avisos sobre desbordamientos de la pila.

Si se produce un desbordamiento de la pila debido a llamadas recursivas excesivas, considere soluciones iterativas o aumente el límite de recursividad si el entorno lo permite.

Desbordamiento de pila

Esto sucede cuando se intenta extraer un elemento de una pila vacía. Para evitar que esto suceda, verifique siempre si la pila está vacía antes de ejecutar operaciones emergentes o de visualización. Devuelva un mensaje de error claro o maneje el desbordamiento con gracia sin bloquear el programa.

En entornos donde sea aceptable, considere devolver un valor especial al salir de una pila vacía para indicar la invalidez de la operación.

Restricciones de memoria

En entornos con memoria limitada, incluso cambiar el tamaño de las pilas dinámicamente (como aquellas basadas en listas enlazadas) podría provocar el agotamiento de la memoria si crecen demasiado. Por lo tanto, esté atento al uso general de memoria de la aplicación y al crecimiento de la pila. Quizás introduzca un límite suave en el tamaño de la pila.

Preocupaciones por la seguridad del hilo

En entornos de subprocesos múltiples, las operaciones simultáneas en una pila compartida por diferentes subprocesos pueden generar inconsistencias en los datos o comportamientos inesperados. Las posibles soluciones a este problema podrían ser:

• Mutex y bloqueos – Utilice mutex (objetos de exclusión mutua) o bloqueos para garantizar que solo un subproceso pueda realizar operaciones en la pila en un momento dado.
• Operaciones atómicas – Aprovechar las operaciones atómicas, si el entorno las admite, para garantizar la coherencia de los datos durante las operaciones push y pop.
• Pilas locales de subprocesos – En escenarios donde cada subproceso necesita su pila, considere usar almacenamiento local de subprocesos para darle a cada subproceso su instancia de pila separada.

Si bien las pilas son realmente poderosas, ser consciente de sus problemas potenciales e implementar soluciones activamente garantizará aplicaciones sólidas y libres de errores. Reconocer estos obstáculos es la mitad de la batalla; la otra mitad consiste en adoptar las mejores prácticas para abordarlos de forma eficaz.

Conclusión

Las pilas, a pesar de su naturaleza aparentemente simple, sustentan muchas operaciones fundamentales en el mundo de la informática. Desde analizar expresiones matemáticas complejas hasta gestionar llamadas a funciones, su utilidad es amplia y esencial. A medida que recorremos los entresijos de esta estructura de datos, queda claro que su fortaleza radica no solo en su eficiencia sino también en su versatilidad.

Sin embargo, como ocurre con todas las herramientas, su eficacia depende de cómo se utilice. Solo asegúrese de tener un conocimiento profundo de sus principios, posibles obstáculos y mejores prácticas para asegurarse de poder aprovechar el verdadero poder de las pilas. Ya sea que esté implementando uno desde cero o aprovechando las funciones integradas en lenguajes como Python, es la aplicación consciente de estas estructuras de datos lo que diferenciará sus soluciones.

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• Fuente: https://stackabuse.com/guide-to-stacks-in-python/