자료구조

수많은 선배 개발자들은 무수한 상황에 데이터를 효율적으로 다룰 수 있는 여러 방법을 연구해 두었다.
그리고 선배 개발자들은 아래의 그림과 같이 수많은 데이터들을 분류해두었다.

무수한 상황에서 데이터를 효율적으로 다룰 수 있는 방법을 모두 모아, 자료구조라는 이름을 붙였습니다. 우리는 이 많은 방법 중에서, 가장 많이 쓰이고 알고리즘 테스트(코딩 테스트)에 자주 등장하는 네 가지를 학습해보자!

Stack

Stack은 쌓다, 쌓이다, 포개지다 와 같은 뜻을 가지고 있습니다. 마치 접시를 쌓아 놓은 형태와 비슷한 이 자료구조는 직역 그대로, 데이터(data)를 순서대로 쌓는 자료구조이다.

Stack의 특징

1. LIFO(Last In First Out)
   먼저 들어간 데이터는 제일 나중에 나오는 후입선출의 구조를 가지고 있다.

2. 데이터는 하나씩 넣고 뺄 수 있다.
   Stack 자료구조는 데이터가 아무리 많이 있어도 하나씩 데이터를 넣고, 뺀다.

3. 하나의 입출력 방향을 가지고 있다.
   Stack 자료구조는 데이터의 입출력 방향이 같다. 만약, 입출력 방향이 여러 개라면 Stack 자료구조라고 볼 수 없다.

4. 저장되는 데이터는 유한하고 정적이어야 한다.
   스택이라는 자료 구조를 사용한 콜 스택(Call Stack)을 예시로 들어 설명하도록 하겠다. 콜 스택 내부에 함수의 실행 데이터는 스택의 프레임으로 저장된다. 각 프레임은 해당 기능에 필요한 데이터가 저장되는 공간 블록이라 이해하면 된다. 예를 들어, 함수가 새로이 변수를 선언할 때마다 스택의 최상위 블록으로 Push 된다. 그 다음 함수가 종료될 때마다 최상위 블록이 지워지므로(후입선출 구조이기 때문에), 해당 함수에 의해 스택에 들어간 모든 변수가 지워지게 된다. 여기에 저장된 데이터가 정적 특성을 가져야지만이 컴파일 시간이 결정된다. 스택에 저장되는 일반적인 데이터는 로컬 변수(value type 또는 프리미티브, 프리미티브 상수), 포인터 및 함수 프레임이다.

5. 스택의 크기는 제한되어 있다.
   힙(heap)에 비해 스택의 크기가 제한되어 있으므로, 스택 오버플로(Stack Overflow) 같은 에러가 자주 발생한다. 대부분의 언어는 스택에 저장할 수 있는 값의 크기가 제한되어 있다.

Stack의 실사용 예제

컴퓨터에서 자료구조 Stack은 어떤 곳에 사용되고 있을까? 대표적으로 우리가 자주 사용하는 브라우저의 뒤로 가기, 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 마지막으로 보관된 페이지를 가져온다.
4. 마지막으로 현재 페이지를 Prev Stack에 보관한다.

이렇게 자료구조 Stack을 이용하면, 뒤로 가기와 앞으로 가기 버튼을 구현할 수 있다.

Queue의 정의

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

Queue의 구조

자료구조 Queue는 Stack과 반대되는 개념으로, 먼저 들어간 데이터(data)가 먼저 나오는 FIFO(First In First Out) 혹은 LILO(Last In Last Out) 을 특징으로 가지고 있다.

Queue의 특징

1. FIFO (First In First Out)
   먼저 들어간 데이터가 제일 처음에 나오는 선입선출의 구조를 가지고 있다.

2. 데이터는 하나씩 넣고 뺄 수 있다.
   Queue 자료구조는 데이터가 아무리 많이 있어도 하나씩 데이터를 넣고, 뺀다. 한꺼번에 여러 개를 넣거나 뺄 수 없다.

3. 두 개의 입출력 방향을 가지고 있다.
   Queue 자료구조는 데이터의 입력, 출력 방향이 다르다. 만약 입출력 방향이 같다면 Queue 자료구조라고 볼 수 없다.

Queue의 실사용 예제

자료구조 Queue는 컴퓨터에서도 광범위하게 활용된다. 컴퓨터와 연결된 프린터에서 여러 문서를 순서대로 인쇄하려면 어떻게 해야 할까?

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

컴퓨터 장치들 사이에서 데이터(data)를 주고받을 때, 각 장치 사이에 존재하는 속도의 차이나 시간 차이를 극복하기 위해 임시 기억 장치의 자료구조로 Queue를 사용한다. 이것을 통틀어 버퍼(buffer)라고 한다.

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

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

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.

유튜브와 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.