第4回：スタックとキュー¶

実験1：ブラウザの「戻る」を作ってみる¶

何が出力されるか、走らせる前に予想してから実行してみよう。

# 訪問履歴
history = []

# 3つのページを訪問
history.append("ホーム")
history.append("ニュース")
history.append("天気")

# 「戻る」を押す（直前のページを取り出す）
print(history.pop())
# もう一度「戻る」
print(history.pop())

最後に訪問したページから順に戻ってくる。「最後に入れたもの」から取り出される。

実験2：プリンタの「印刷待ち」を作ってみる¶

同じく予想してから実行してみよう。

# 印刷待ち
queue = []

# 3つの印刷リクエスト
queue.append("レポート")
queue.append("写真")
queue.append("論文")

# プリンタが空いたので印刷（先に頼まれたものから）
print(queue.pop(0))
# 次のジョブ
print(queue.pop(0))

先に頼んだものから順に処理される。「最初に入れたもの」から取り出される。

観察：何が違った?¶

同じ list を使った
同じ append で追加した
違いは取り出し方だけ
- 実験1：pop() ← 末尾から取る
- 実験2：pop(0) ← 先頭から取る

それだけで取り出される順番が完全に逆になった。この2つの動きにはそれぞれ名前がついている。

スタック（Stack）¶

後入れ先出しの挙動をする構造。LIFO（Last In, First Out）。

概念的な操作:
- push（追加）: 末尾に置く
- pop（取り出し）: 末尾から取る
入れる場所も出す場所も同じ端

スタックの動き¶

push(1)   → [1]
push(2)   → [1, 2]
push(3)   → [1, 2, 3]
pop() → 3 → [1, 2]
pop() → 2 → [1]

最後に積んだ「3」が最初に出てくる。

演習4-1¶

空のスタックに以下の操作を順に行ったとき、最終的なスタックの中身は?

push(A), push(B), pop(), push(C), pop(), push(D)

ヒント: 左を底、右を上として書く。

キュー（Queue）¶

先入れ先出しの挙動をする構造。FIFO（First In, First Out）。

概念的な操作:
- enqueue（追加）: 末尾に置く
- dequeue（取り出し）: 先頭から取る
入れる側と出す側が逆の端

キューの動き¶

enqueue(1)    → [1]
enqueue(2)    → [1, 2]
enqueue(3)    → [1, 2, 3]
dequeue() → 1 → [2, 3]
dequeue() → 2 → [3]

演習4-2¶

空のキューに以下の操作を順に行ったとき、最終的なキューの中身は?

enqueue(A), enqueue(B), dequeue(), enqueue(C), dequeue(), enqueue(D)

ヒント: 左を先頭、右を末尾として書く。

スタック vs キュー¶

並べ方は同じ。取り出すルールが違うだけ。

	スタック	キュー
追加する端	末尾	末尾
取り出す端	末尾	先頭
ルール	LIFO	FIFO
追加操作	push	enqueue
取り出し操作	pop	dequeue

Pythonでの実装¶

スタック → `list` でOK¶

list は末尾の操作（append / pop）が O(1)。スタックの「同じ端」にしかアクセスしないので相性がいい。

stack = []
stack.append(1)   # push
stack.append(2)
stack.pop()       # 2 が返る

キュー → `collections.deque` を使う¶

list でも pop(0) でキューを実装できるが、これは O(n)（先頭を抜くと残り全部を前にずらす必要がある、第3回参照）。要素が多いと急激に遅くなる。

collections.deque は両端の操作が O(1) なのでキュー向き。

from collections import deque

queue = deque()
queue.append(1)     # enqueue
queue.append(2)
queue.popleft()     # 1 が返る（dequeue）

list でキューを作らないこと

lst.pop(0) は O(n)。キューとして使うなら deque を選ぶ。

演習4-3¶

ブラウザの「戻る」と「進む」をスタックを使って用意するためには?

コールスタック（Call stack）¶

関数の呼び出しもスタックになっている。

関数 f の中で g を呼び、g の中で h を呼ぶ場合の流れ:

sequenceDiagram
    participant Main as 実行
    participant f
    participant g
    participant h
    Main->>+f: f を呼ぶ
    f->>+g: g を呼ぶ
    g->>+h: h を呼ぶ
    h-->>-g: h 終了
    g-->>-f: g 終了
    f-->>-Main: f 終了

スタックの中身も時間とともに伸び縮みする:

時刻 →
[ ]   [f]   [f,g]   [f,g,h]   [f,g]   [f]   [ ]
 開始  f呼ぶ  g呼ぶ   h呼ぶ    h終了  g終了 f終了

「最後に呼ばれた関数が、最初に終わる」 → LIFO → スタック。これをコールスタックという。

プログラムの実行そのものがスタックの上で動いている

ふだん意識しないが、関数呼び出しの裏側ではスタックが動いている。次回（再帰と分割統治法）で重要になる。

演習4-4¶

以下の用途で、スタック・キューどちらが適切か? 理由も1文で書いてください。

文書編集ソフトの「Ctrl+Z」で直前の操作を取り消す
ATMで並んでいる人を順に呼び出す
((a + b) * c) のようなカッコの対応をチェックする
図書館で予約された本を、予約された順に渡す