Guia para pilhas em Python

Introdução

Embora algumas estruturas de dados sejam versáteis e possam ser usadas em uma ampla variedade de aplicações, outras são especializadas e projetadas para lidar com problemas específicos. Uma dessas estruturas especializadas, conhecida pela sua simplicidade mas notável utilidade, é a pilha.

Então, o que é uma pilha? Em sua essência, uma pilha é uma estrutura de dados linear que segue o LIFO Princípio (último a entrar, primeiro a sair). Pense nisso como uma pilha de pratos em uma cafeteria; você pega apenas o prato que está em cima e, ao colocar um novo prato, ele vai para o topo da pilha.

O último elemento adicionado é o primeiro elemento a ser removido

Mas por que entender a pilha é crucial? Ao longo dos anos, as pilhas encontraram suas aplicações em uma infinidade de áreas, desde o gerenciamento de memória em suas linguagens de programação favoritas até a funcionalidade do botão Voltar em seu navegador da web. Essa simplicidade intrínseca, aliada à sua vasta aplicabilidade, torna a pilha uma ferramenta indispensável no arsenal de um desenvolvedor.

Neste guia, nos aprofundaremos nos conceitos por trás das pilhas, sua implementação, casos de uso e muito mais. Definiremos o que são pilhas, como funcionam e, em seguida, daremos uma olhada em duas das maneiras mais comuns de implementar a estrutura de dados da pilha em Python.

Conceitos fundamentais de uma estrutura de dados de pilha

Em sua essência, uma pilha é aparentemente simples, mas possui nuances que lhe conferem aplicações versáteis no domínio computacional. Antes de mergulhar em suas implementações e usos práticos, vamos garantir uma compreensão sólida dos principais conceitos que cercam as pilhas.

O princípio LIFO (último a entrar, primeiro a sair)

LIFO é o princípio orientador por trás de uma pilha. Isso implica que o último item a entrar na pilha é o primeiro a sair. Essa característica diferencia as pilhas de outras estruturas de dados lineares, como filas.

Operações básicas

Cada estrutura de dados é definida pelas operações que suporta. Para pilhas, estas operações são simples, mas vitais:

• Empurrar – Adiciona um elemento ao topo da pilha. Se a pilha estiver cheia, esta operação poderá resultar em um estouro de pilha.

• estouro – Remove e retorna o elemento mais alto da pilha. Se a pilha estiver vazia, tentar pop pode causar um estouro negativo na pilha.

• Espiar (ou topo) – Observa o elemento superior sem removê-lo. Esta operação é útil quando você deseja inspecionar o elemento superior atual sem alterar o estado da pilha.

A esta altura, a importância da estrutura de dados da pilha e de seus conceitos fundamentais deve estar evidente. À medida que avançamos, nos aprofundaremos em suas implementações, esclarecendo como esses princípios fundamentais se traduzem em código prático.

Como implementar uma pilha do zero em Python

Tendo compreendido os princípios fundamentais por trás das pilhas, é hora de arregaçar as mangas e mergulhar no lado prático das coisas. A implementação de uma pilha, embora simples, pode ser abordada de várias maneiras. Nesta seção, exploraremos dois métodos principais de implementação de uma pilha – usando arrays e listas vinculadas.

Implementando uma pilha usando arrays

Matrizes, sendo locais de memória contíguos, oferecem um meio intuitivo de representar pilhas. Eles permitem complexidade de tempo O(1) para acessar elementos por índice, garantindo operações rápidas de push, pop e peek. Além disso, os arrays podem ser mais eficientes em termos de memória porque não há sobrecarga de ponteiros como nas listas vinculadas.

Por outro lado, os arrays tradicionais têm tamanho fixo, o que significa que, uma vez inicializados, não podem ser redimensionados. Isto pode levar a um estouro de pilha se não for monitorado. Isso pode ser superado por arrays dinâmicos (como o do Python list), que pode ser redimensionado, mas esta operação é bastante cara.

Com tudo isso resolvido, vamos começar a implementar nossa classe de pilha usando arrays em Python. Primeiramente vamos criar uma classe propriamente dita, com o construtor que toma como parâmetro o tamanho da pilha:

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

Como você pode ver, armazenamos três valores em nossa classe. O size é o tamanho desejado da pilha, o stack é a matriz real usada para representar a estrutura de dados da pilha e o top é o índice do último elemento do stack matriz (o topo da pilha).

De agora em diante, criaremos e explicaremos um método para cada uma das operações básicas da pilha. Cada um desses métodos estará contido no Stack classe que acabamos de criar.

Vamos começar com o push() método. Conforme discutido anteriormente, a operação push adiciona um elemento ao topo da pilha. Em primeiro lugar, verificaremos se a pilha ainda tem espaço para o elemento que queremos adicionar. Se a pilha estiver cheia, aumentaremos o Stack Overflow exceção. Caso contrário, vamos apenas adicionar o elemento e ajustar o top e stack adequadamente:

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

Agora podemos definir o método para remover um elemento do topo da pilha – o pop() método. Antes mesmo de tentarmos remover um elemento, precisaríamos verificar se há algum elemento na pilha porque não faz sentido tentar retirar um elemento de uma pilha vazia:

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

Finalmente, podemos definir o peek() método que apenas retorna o valor do elemento que está atualmente no topo da pilha:

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

E é isso! Agora temos uma classe que implementa o comportamento de pilhas usando listas em Python.

Implementando uma pilha usando listas vinculadas

Listas vinculadas, sendo estruturas de dados dinâmicos, pode aumentar e diminuir facilmente, o que pode ser benéfico para a implementação de pilhas. Como as listas vinculadas alocam memória conforme necessário, a pilha pode crescer e reduzir dinamicamente sem a necessidade de redimensionamento explícito. Outro benefício de usar listas vinculadas para implementar pilhas é que as operações push e pop requerem apenas alterações simples de ponteiro. A desvantagem disso é que cada elemento da lista vinculada possui um ponteiro adicional, consumindo mais memória em comparação com os arrays.

Como já discutimos no “Listas vinculadas do Python” artigo, a primeira coisa que precisaríamos implementar antes da lista vinculada real é uma classe para um único nó:

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

Esta implementação armazena apenas dois pontos de dados – o valor armazenado no nó (data) e a referência ao próximo nó (next).

Agora podemos pular para a própria classe de pilha. O construtor será um pouco diferente do anterior. Ele conterá apenas uma variável – a referência ao nó no topo da pilha:

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

Como esperado, o push() método adiciona um novo elemento (nó neste caso) ao topo da pilha:

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

A pop() O método verifica se há algum elemento na pilha e remove o que está no topo se a pilha não estiver vazia:

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

Finalmente, o peek() O método simplesmente lê o valor do elemento do topo da pilha (se houver):

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

A escolha entre arrays e listas vinculadas depende dos requisitos e restrições específicas da aplicação.

Como implementar uma pilha usando estruturas integradas do Python

Para muitos desenvolvedores, construir uma pilha do zero, embora educacional, pode não ser a maneira mais eficiente de usar uma pilha em aplicativos do mundo real. Felizmente, muitas linguagens de programação populares vêm equipadas com estruturas e classes de dados integradas que suportam naturalmente operações de pilha. Nesta seção, exploraremos as ofertas do Python nesse sentido.

Python, sendo uma linguagem versátil e dinâmica, não possui uma classe de pilha dedicada. No entanto, suas estruturas de dados integradas, particularmente as listas e a classe deque do collections módulo, pode facilmente servir como pilhas.

Usando listas Python como pilhas

As listas Python podem emular uma pilha de forma bastante eficaz devido à sua natureza dinâmica e à presença de métodos como append() e pop().

• Operação push – Adicionar um elemento ao topo da pilha é tão simples quanto usar o append() método:

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

• Operação pop – A remoção do elemento superior pode ser conseguida usando o pop() método sem nenhum argumento:

  top_element = stack.pop() 

• Operação de espiada Acessar o topo sem aparecer pode ser feito usando indexação negativa:

  top_element = stack[-1] 

utilização de que Classe de coleções Módulo

A deque (abreviação de fila dupla) é outra ferramenta versátil para implementações de pilha. Ele é otimizado para acréscimos e pops rápidos de ambas as extremidades, tornando-o um pouco mais eficiente para operações de pilha do que listas.

• Inicialização:

  from collections import deque
  stack = deque()
  

• Operação push – Semelhante às listas, append() método é usado:

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

• Operação pop – Como listas, pop() método faz o trabalho:

  top_element = stack.pop() 

• Operação de espiada – A abordagem é a mesma das listas:

  top_element = stack[-1] 

Quando usar qual?

Embora listas e deques possam ser usadas como pilhas, se você estiver usando principalmente a estrutura como uma pilha (com anexos e pops de uma extremidade), o deque pode ser um pouco mais rápido devido à sua otimização. No entanto, para a maioria dos propósitos práticos e a menos que se trate de aplicações críticas de desempenho, as listas do Python devem ser suficientes.

Potenciais problemas relacionados à pilha e como superá-los

Embora as pilhas sejam incrivelmente versáteis e eficientes, como qualquer outra estrutura de dados, elas não estão imunes a possíveis armadilhas. É essencial reconhecer esses desafios ao trabalhar com pilhas e ter estratégias para enfrentá-los. Nesta seção, nos aprofundaremos em alguns problemas comuns relacionados à pilha e exploraremos maneiras de superá-los.

Stack Overflow

Isso ocorre quando é feita uma tentativa de colocar um elemento em uma pilha que atingiu sua capacidade máxima. É especialmente um problema em ambientes onde o tamanho da pilha é fixo, como em certos cenários de programação de baixo nível ou chamadas de função recursivas.

Se você estiver usando pilhas baseadas em array, considere mudar para arrays dinâmicos ou implementações de lista vinculada, que se redimensionam sozinhas. Outra etapa na prevenção do estouro de pilha é monitorar continuamente o tamanho da pilha, especialmente antes das operações push, e fornecer mensagens de erro claras ou avisos sobre estouro de pilha.

Se o estouro de pilha ocorrer devido a chamadas recursivas excessivas, considere soluções iterativas ou aumente o limite de recursão se o ambiente permitir.

Subfluxo de pilha

Isso acontece quando há uma tentativa de retirar um elemento de uma pilha vazia. Para evitar que isso aconteça, sempre verifique se a pilha está vazia antes de executar operações pop ou peek. Retorne uma mensagem de erro clara ou lide com o underflow normalmente, sem travar o programa.

Em ambientes onde for aceitável, considere retornar um valor especial ao sair de uma pilha vazia para indicar a invalidez da operação.

Restrições de memória

Em ambientes com restrição de memória, mesmo o redimensionamento dinâmico de pilhas (como aquelas baseadas em listas vinculadas) pode levar ao esgotamento da memória se elas crescerem muito. Portanto, fique de olho no uso geral de memória do aplicativo e no crescimento da pilha. Talvez introduza um soft cap no tamanho da pilha.

Preocupações com a segurança do tópico

Em ambientes multithread, operações simultâneas em uma pilha compartilhada por threads diferentes podem levar a inconsistências de dados ou comportamentos inesperados. As possíveis soluções para este problema podem ser:

• Mutexes e bloqueios – Use mutexes (objetos de exclusão mútua) ou bloqueios para garantir que apenas um thread possa executar operações na pilha em um determinado momento.
• Operações Atômicas – Aproveite as operações atômicas, se suportadas pelo ambiente, para garantir a consistência dos dados durante as operações push e pop.
• Pilhas locais de thread – Em cenários em que cada thread precisa de sua pilha, considere usar o armazenamento local de thread para fornecer a cada thread sua instância de pilha separada.

Embora as pilhas sejam realmente poderosas, estar ciente de seus possíveis problemas e implementar soluções ativamente garantirá aplicativos robustos e livres de erros. Reconhecer estas armadilhas é metade da batalha – a outra metade consiste em adotar as melhores práticas para as resolver de forma eficaz.

Conclusão

As pilhas, apesar de sua natureza aparentemente simples, sustentam muitas operações fundamentais no mundo da computação. Desde a análise de expressões matemáticas complexas até o gerenciamento de chamadas de funções, sua utilidade é ampla e essencial. À medida que percorremos os meandros desta estrutura de dados, fica claro que a sua força reside não apenas na sua eficiência, mas também na sua versatilidade.

No entanto, como acontece com todas as ferramentas, a sua eficácia depende de como é utilizada. Apenas certifique-se de ter uma compreensão completa de seus princípios, possíveis armadilhas e práticas recomendadas para garantir que você possa aproveitar o verdadeiro poder das pilhas. Esteja você implementando uma do zero ou aproveitando recursos integrados em linguagens como Python, é a aplicação cuidadosa dessas estruturas de dados que diferenciará suas soluções.

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