L'art de la programmation - La pile et la file

Table des matières

1. Introduction
2. Les structures de liste
   • 2.1. Les listes
   • 2.2. Les tableaux
   • 2.3. Les structures de liens
3. Les piles (stacks)
   • 3.1. Présentation des piles
   • 3.2. Fonctions de base des piles
   • 3.3. Implémentation d'une pile avec un tableau
   • 3.4. Implémentation d'une pile avec une liste
   • 3.5. Exemples d'utilisation des piles
4. Les files (queues)
   • 4.1. Présentation des files
   • 4.2. Fonctions de base des files
   • 4.3. Implémentation d'une file avec une liste
   • 4.4. Implémentation d'une file avec un tableau
   • 4.5. Exemples d'utilisation des files
5. Conclusion

Introduction

Dans le domaine de la programmation, les structures de données jouent un rôle essentiel dans l'organisation et la manipulation des informations. Deux structures de données couramment utilisées sont les piles (stacks) et les files (queues). Ces structures permettent de regrouper des éléments de données individuels et de les manipuler de différentes manières. Dans cet article, nous explorerons en détail les piles et les files, en mettant l'accent sur leur implémentation et leurs utilisations.

Les structures de liste

Avant de plonger directement dans les piles et les files, il est important de comprendre les structures de liste sur lesquelles elles sont construites. Les listes sont des structures de données qui permettent de regrouper des éléments de données individuels. Il existe différentes manières d'implémenter des listes, notamment à l'aide de tableaux et de structures de liens.

2.1. Les listes

Les listes peuvent être implémentées à l'aide de tableaux, qui sont des séquences d'éléments contigus en mémoire. Les tableaux offrent un accès direct aux éléments en utilisant des indices, ce qui les rend efficaces pour accéder à des éléments spécifiques. Cependant, ils ont une taille fixe, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas être facilement modifiés ou étendus.

2.2. Les tableaux

Les tableaux sont des structures de données qui permettent de stocker des éléments de données de manière contiguë en mémoire. Ils offrent un accès direct aux éléments en utilisant des indices, ce qui en fait une structure efficace pour accéder à des éléments spécifiques. Cependant, les tableaux ont une taille fixe, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas être facilement modifiés ou étendus.

2.3. Les structures de liens

Les structures de liens permettent de créer des listes chaînées, dans lesquelles chaque élément est un nœud qui contient à la fois une valeur et une référence vers le prochain nœud. Cela permet d'ajouter ou de supprimer des éléments de la liste de manière dynamique, sans contraintes de taille fixe. Les structures de liens offrent une flexibilité supérieure aux tableaux, mais l'accès aux éléments n'est pas aussi rapide car il faut parcourir la liste pour atteindre un élément spécifique.

Les piles (stacks)

3.1. Présentation des piles

Les piles sont des structures de données de type LIFO (Last-In, First-Out). Cela signifie que le dernier élément ajouté à la pile est le premier élément à en sortir. Une pile a une structure en forme de LIFO, où les éléments sont ajoutés ou supprimés uniquement à partir d'un point d'accès unique, appelé le sommet de la pile.

3.2. Fonctions de base des piles

Pour manipuler une pile, nous avons besoin de trois fonctions de base :

• push : ajoute un élément au sommet de la pile
• pop : supprime l'élément en haut de la pile
• top : retourne la valeur de l'élément en haut de la pile sans le supprimer

3.3. Implémentation d'une pile avec un tableau

Une implémentation courante d'une pile utilise un tableau pour stocker les éléments. Dans cette approche, le sommet de la pile est représenté par l'indice du dernier élément ajouté. Lors de l'ajout d'un élément à la pile, nous l'insérons à la position du sommet et nous mettons à jour l'indice du sommet. Lors de la suppression d'un élément, nous décrémentons l'indice du sommet sans réellement supprimer les données.

3.4. Implémentation d'une pile avec une liste

Une autre option pour implémenter une pile est d'utiliser une liste chaînée. Dans ce cas, chaque nœud de la liste contient à la fois une valeur et une référence vers le prochain nœud. Lors de l'ajout d'un élément à la pile, nous créons un nouveau nœud et le relions au nœud précédent (sommet de la pile). Lors de la suppression d'un élément, nous supprimons simplement le nœud du sommet de la pile et mettons à jour la référence vers le nœud précédent.

3.5. Exemples d'utilisation des piles

Les piles peuvent être utilisées dans de nombreuses situations, notamment pour inverser l'ordre des éléments, pour évaluer des expressions arithmétiques, pour gérer des appels de fonctions récursives, etc. Elles offrent une approche simple et efficace pour traiter les données selon le principe LIFO.

Les files (queues)

4.1. Présentation des files

Les files sont des structures de données de type FIFO (First-In, First-Out). Cela signifie que le premier élément ajouté à la file est le premier élément à en sortir. Une file a une structure en forme de FIFO, où les éléments sont ajoutés à l'arrière de la file et supprimés à l'avant de la file.

4.2. Fonctions de base des files

Pour manipuler une file, nous avons besoin de deux fonctions de base :

• enqueue : ajoute un élément à l'arrière de la file
• dequeue : supprime l'élément à l'avant de la file

4.3. Implémentation d'une file avec une liste

Une implémentation courante d'une file utilise une liste chaînée. Chaque nœud de la liste contient à la fois une valeur et une référence vers le prochain nœud. Pour ajouter un élément à la file, nous créons un nouveau nœud et le relions au nœud arrière de la file. Pour supprimer un élément de la file, nous supprimons simplement le nœud de l'avant de la file et mettons à jour la référence vers le nœud suivant.

4.4. Implémentation d'une file avec un tableau

Une autre option pour implémenter une file est d'utiliser un tableau circulaire. Dans ce cas, nous utilisons deux indices pour représenter le début et la fin de la file. Lors de l'ajout d'un élément, nous l'insérons à la position de fin et nous mettons à jour l'indice de fin. Lors de la suppression d'un élément, nous incrémentons l'indice de début sans réellement supprimer les données.

4.5. Exemples d'utilisation des files

Les files peuvent être utilisées dans de nombreuses situations, comme la gestion des processus dans un système d'exploitation, la simulation de files d'attente, la mise en œuvre de parcours en largeur dans les graphes, etc. Elles offrent une approche simple et efficace pour traiter les données selon le principe FIFO.

Conclusion

Les piles et les files sont des structures de données essentielles en programmation. Elles offrent des moyens efficaces pour organiser et manipuler des éléments de données. Les piles sont basées sur le principe LIFO, tandis que les files sont basées sur le principe FIFO. En comprenant ces structures et en les utilisant de manière appropriée, vous pourrez résoudre une large gamme de problèmes de programmation de manière élégante et efficace.

Assurez-vous de comprendre les concepts et de vous familiariser avec les différentes méthodes d'implémentation des piles et des files. Expérimentez avec des exemples pratiques pour approfondir votre compréhension et découvrez comment les utiliser dans vos propres projets. Bonne chance dans votre exploration des piles et des files, et amusez-vous à développer des applications performantes et fonctionnelles !

Ressources supplémentaires

• Site web sur les structures de données
• Documentation Python sur les piles et les files