[자료구조] Stack과 Queue 기초

Stack

스택(Stack)은 쌓다, 쌓이다, 포개지다 와 같은 뜻을 가지고 있다. 마치 접시를 쌓아 놓은 형태와 비슷한 이 자료구조는 직역 그래로, 데이터(Data)를 순서대로 쌓는 자료구조이다. 일상생활에서 Stack과 비슷한 예를 찾아볼 수 있다.

 

출처: CODESTATES

네 대의 자동차가 순서대로 좁은 골목을 지나고 있었다. 하지만 이 골목의 끝은 공사 중으로 막혀있었다. 이를 모르던 첫 번째 차량 운전자는 이 골목을 통과하기 위해 직진했고, 나머지 차량도 앞 차량의 꽁무니를 따라 직진했다. 결국 첫 번째 차량은 공사로 막힌 골목 끝을 맞이했다. 마지막으로 들어온 네 번째 자동차가 먼저 후진으로 나와야 하는 상황이 되어버린 것이다.

 

이때 골목을 자료구조 Stack, 자동차는 데이터(data)로 비유할 수 있다.

 

위의 예시에서 볼 수 있듯, 가장 먼저 들어간 자동차가 가장 나중에 나올 수 있다. 다시 말해, 가장 나중에 들어간 차량이 가장 먼저 나올 수 있다는 것이다. 자료구조 Stack의 특징은 입력과 출력이 하나의 방향으로 이루어지는 제한적 접근에 있다. 이런 Stack 자료구조 정책을 LIFO(Last In First Out) 혹은 FILO(First In Last Out)이라고 부르기도 한다.

 

Stack의 실사용 예제

대표적으로 우리가 자주 사용하는 브라우저의 뒤로 가기와 앞으로 가기 기능을 구현할 때 자료구조 Stack이 활용된다.

브라우저에서 자료구조 Stack이 사용될 때에는 다음과 같은 순서를 거친다.

 

1. 새로운 페이지로 접속할 때, 현재 페이지를 Prev Stack에 보관한다.
2. 뒤로 가기 버튼을 눌러 이전 페이지로 돌아갈 때에는, 현재 페이지를 Next Stack에 보관하고 Prev Stack에 가장 나중에 보관된 페이지를 현재 페이지로 가져온다.
3. 앞으로 가기 버튼을 눌러 앞서 방문한 페이지로 이동을 원할  때에는, Next Stack의 가장 마지막에 보관된 페이지를 가져온다.
4. 마지막으로 현재 페이지를 Prev Stack에 보관한다.

 

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Queue

큐(Queue)는 줄을 서서 기다리다, 대기 행렬 이라는 뜻을 가지고 있다.

 

자료구조 Queue는 Stack과 반대되는 개념으로, 먼저 들어간 데이터(data)가 먼저 나오는 FIFO(First In First Out) 혹은 LILO(Last In Last Out)를 특징으로 가지고 있다. 티켓을 사려고 줄을 서서 기다리는 모습과 흡사한 이 자료구조의 특징을 일상생활에서 찾아보자.

 

출처: CODESTATES

명절에는 고향으로 가기 위해 많은 자동차들이 고속도로를 지난다. 고속도로에는 톨게이트가 있고, 자동차는 톨게이트에 진입한 순서대로 통행료를 내고 톨게이트를 통과한다.

 

여기서 톨게이트를 큐(Queue) 자료구조로, 자동차를 데이터(data)로 비유할 수 있다.

즉, 자료구조 Queue는 데이터(data)가 입력된 순서대로 처리할 때 주로 사용한다.

 

Queue의 실사용 예제

자료구조 Queue는 컴퓨터에서도 광범위하게 활용된다. 프린터에서 여러 문서를 인쇄할 때 다음과 같은 이벤트가 일어난다.

1. 우리가 문서를 작성하고 출력 버튼을 누르면 해당 문서는 인쇄 작업 (임시 기억 장치의) Queue에 들어간다.
2. 프린터는 인쇄 작업 Queue에 들어온 문서를 순서대로 인쇄한다.

위의 예시처럼 컴퓨터 장치들 사이에서 데이터(data)를 주고 받을 때, 각 장치 사이에 존재하는 속도의 차이나 시간 차이를 극복하기 위해 임시 기억 장치의 자료구조로 Queue를 사용한다. 이것을 통틀어 버퍼(buffer)라고 한다. 아래 이미지는 버퍼링(buffering)의 개념을 보여주고 있다.

대부분의 컴퓨터 장치에서 발생하는 이벤트는 파동 그래프와 같이 불규칙적으로 발생한다. 이에 비해 CPU와 같이 발생한 이벤트를 처리하는 장치는 일정한 처리 속도를 가진다. 불규칙적으로 발생한 이벤트를 규칙적으로 처리하기 위해 버퍼(buffer)를 사용한다.

 

출처: CODESTATES

(왼쪽) CPU에서는 이벤트를 규칙적으로 처리한다. (오른쪽) 대부분의 컴퓨터 장치에서는 이벤트가 불규칙하게 발생한다.

 

컴퓨터와 프린터 사이의 데이터(data) 통신을 정리하면 다음과 같다.

 

• 일반적으로 프린터는 속도가 느리다.
• CPU는 프린터와 비교하여, 데이터를 처리하는 속도가 빠르다.
• CPU는 빠른 속도로 인쇄에 필요한 데이터(data)를 만든 다음, 인쇄 작업 Queue에 저장하고 다른 작업을 수행한다.
• 프린터는 인쇄 작업 Queue에서 데이터(data)를 받아 일정한 속도로 인쇄한다.

넷플릭스와 같은 동영상 스트리밍 앱을 통해 동영상을 시청할 때, 다운로드 된 데이터(data)가 영상을 재생하기에 충분하지 않은 경우가 있다. 이때 동영상을 정상적으로 재생하기 위해 Queue에 모아 두었다가 동영상을 재생하기에 충분한 양의 데이터가 모였을 때 동영상을 재생한다.