스택의 개념/동작원리/장점/단점/활용 등

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스택 (Stack): 후입선출의 원리와 그 활용

**스택(Stack)**은 컴퓨터 과학에서 자주 사용되는 중요한 데이터 구조 중 하나입니다. 스택은 후입선출(LIFO, Last In First Out) 방식으로 동작하는 구조로, 마지막에 추가된 데이터가 가장 먼저 제거됩니다. 스택은 함수 호출 추적, 브라우저의 뒤로 가기 기능, 괄호 검증 등의 다양한 상황에서 사용됩니다. 이번 포스팅에서는 스택의 개념과 그 특성, 그리고 주요 활용 사례에 대해 알아보겠습니다.

1. 스택의 개념과 동작 원리

스택은 데이터를 쌓아 올리는 방식으로 작동합니다. 마치 접시를 쌓는 것처럼, 새로운 데이터가 스택의 맨 위에 추가되며, 데이터를 꺼낼 때는 가장 마지막에 추가된 데이터부터 꺼냅니다. 이러한 동작 방식 때문에 스택은 후입선출(LIFO) 구조라고 불립니다.

스택의 주요 연산은 다음과 같습니다:

• 푸시(push): 스택에 데이터를 추가하는 연산.
• 팝(pop): 스택에서 데이터를 제거하는 연산.
• 피크(peek): 스택의 맨 위 데이터를 확인하는 연산(제거하지 않음).
• isEmpty: 스택이 비어 있는지 확인하는 연산.

stack = []

# 푸시 연산
stack.append(10)
stack.append(20)

# 팝 연산
top = stack.pop()  # 20이 제거됨

 

stack.append()를 사용하여 데이터를 추가하고, stack.pop()을 통해 스택의 맨 위에 있는 데이터를 제거합니다. 스택의 pop 연산은 항상 가장 마지막에 추가된 데이터부터 제거합니다.

2. 스택의 장점과 단점

장점:

1. 간단한 구현: 스택은 배열이나 연결 리스트를 사용하여 쉽게 구현할 수 있습니다.
2. 후입선출(LIFO): 마지막으로 추가된 데이터가 먼저 사용되므로, 최근 데이터에 빠르게 접근해야 하는 경우 유리합니다.
3. 재귀적 구조 처리에 유용: 스택은 재귀적 함수를 처리하는 데 매우 유용합니다. 함수 호출 스택을 통해 재귀적으로 호출된 함수들이 종료될 때, 가장 마지막에 호출된 함수부터 처리됩니다.

단점:

1. 한 방향 접근: 스택은 오직 맨 위의 데이터에만 접근할 수 있기 때문에, 중간에 있는 데이터를 직접 접근할 수 없습니다.
2. 메모리 제한: 스택의 크기가 고정되어 있는 경우, 너무 많은 데이터를 추가하면 스택 오버플로우가 발생할 수 있습니다.

3. 스택의 활용

스택은 다양한 문제를 해결할 때 유용하게 사용됩니다. 여기 몇 가지 주요 활용 사례를 소개합니다.

3.1 함수 호출 스택

프로그래밍에서 함수가 호출될 때, 해당 함수의 매개변수, 지역 변수, 복귀 주소 등이 스택에 저장됩니다. 함수가 종료되면 스택에서 해당 정보가 제거되며, 이전 함수로 돌아가게 됩니다. 이러한 방식은 함수의 재귀 호출을 지원하는 데 필수적입니다.

예를 들어, 다음과 같은 재귀 함수는 함수 호출 스택을 통해 관리됩니다:

def factorial(n):
    if n == 1:
        return 1
    return n * factorial(n - 1)

factorial 함수가 호출될 때마다 함수의 상태가 스택에 저장되고, 마지막 함수 호출이 끝나면 역순으로 복귀하게 됩니다.

3.2 괄호의 유효성 검사

스택은 문자열 내 괄호의 유효성을 확인하는 문제를 해결하는 데도 유용합니다. 여는 괄호는 스택에 푸시되고, 닫는 괄호가 나타나면 스택에서 여는 괄호를 팝하는 방식으로 처리합니다. 괄호가 제대로 닫히지 않는다면 스택이 비어 있지 않거나 불일치가 발생합니다.

 

def is_balanced(expression):
    stack = []
    for char in expression:
        if char == '(':
            stack.append(char)
        elif char == ')':
            if not stack:
                return False
            stack.pop()
    return not stack

print(is_balanced("(())"))  # True
print(is_balanced("(()"))   # False

문자열이 올바르게 열리고 닫혔는지 확인하기 위해 스택을 사용하고 있습니다.

3.3 브라우저의 뒤로 가기 기능

웹 브라우저에서 뒤로 가기 버튼을 누르면 이전 페이지로 이동하는 기능이 있습니다. 이때도 스택이 사용됩니다. 사용자가 방문한 페이지는 스택에 저장되고, 뒤로 가기 버튼을 누르면 마지막에 방문한 페이지부터 차례로 꺼내어 표시됩니다.

3.4 깊이 우선 탐색(DFS)

스택은 깊이 우선 탐색(DFS) 알고리즘에서 사용됩니다. DFS는 그래프나 트리 구조에서 한 경로를 끝까지 탐색한 후, 더 이상 진행할 수 없을 때 이전 경로로 되돌아오는 방식으로 작동합니다. 스택을 사용하면 이 경로를 추적하고, 다음에 탐색할 노드를 선택할 수 있습니다.

4. 스택과 큐의 비교

스택과 **큐(Queue)**는 서로 반대되는 동작 방식을 가지고 있습니다. 큐는 선입선출(FIFO, First In First Out) 방식으로 동작하며, 가장 먼저 들어온 데이터가 가장 먼저 나가는 반면, 스택은 후입선출(LIFO) 방식으로 동작합니다. 두 구조 모두 데이터를 관리하는 데 유용하지만, 상황에 따라 적절한 데이터 구조를 선택해야 합니다.

• 스택: 후입선출, 마지막에 추가된 데이터가 먼저 처리.
• 큐: 선입선출, 처음에 추가된 데이터가 먼저 처리.

스택은 후입선출(LIFO) 방식으로 데이터를 관리하는 매우 유용한 데이터 구조입니다. 함수 호출 추적, 괄호 검사, 깊이 우선 탐색(DFS) 등 다양한 문제를 해결할 때 스택이 사용되며, 그 구조는 간단하지만 많은 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 스택의 장단점을 이해하고, 필요에 따라 적절히 활용하는 것이 프로그래밍의 효율성을 높이는 데 큰 도움이 될 것입니다.

스택은 컴퓨터 과학에서 단순하지만 강력한 도구로, 재귀적 문제나 최근 데이터 처리 문제에서 특히 유용합니다. 이를 잘 활용하면 더 나은 알고리즘과 프로그램을 작성할 수 있을 것입니다.