Основные принципы программирования: стек и куча. Что такое стек
В рамках данной статьи, я расскажу вам что такое стек , а так же для чего он нужен и где применяется.
Большое количество задач, связанных с информацией, поддаются типизированному решению. Поэтому нет ничего удивительного в том, что для многих из них уже давно придуманы методы, термины и описания. Например, нередко можно услышать такие слово, как стек. Звучит весьма сложно, однако все существенно проще.
Стек (stack) - это метод представления однотипных данных (можно просто называть типом) в порядке LIFO (Last In - First Out, что означает "первый вошел - последний вышел"). Стоит упомянуть, что в русской технике его так же называют "магазином". И речь тут не о продуктовом магазине, а о рожке с патронами для оружия, так как принцип весьма схож - первый вставленный патрон будет использован последним.
Примечание : Стоит знать, что у этого слова могут быть и другие значения. Поэтому если речь не касается компьютеров, то имеет смысл уточнить.
Чтобы лучше понять, приведу жизненный пример. Допустим у вас есть стопка листов. Каждый исписанный лист вы кладете рядом, а каждый следующий поверх остальных. Чтобы достать к примеру, самый первый лист из полученной стопки, вам необходимо вытащить все остальные листы. Вот по этому же самому принципу и устроен stack. То есть, каждый последний добавленный элемент становится верхним и чтобы достать, к примеру, самый первый элемент необходимо вытащить все остальные.
Для чего нужен стек? Основное предназначение это решение типовых задач, где необходимо поддерживать последовательность состояний чего-либо или где нужно инверсионное представление данных (то есть в обратную сторону).
В компьютерной сфере стек используется в аппаратных устройствах (например, процессоре), в операционной системе и многих программах. Если рассматривать пример, с которым знаком практически каждый, кто занимался программированием, то без стека не была бы возможна рекурсия, ведь при каждом повторном входе в функцию нужно сохранять текущее состояние на вершине, а при каждом выходе из функции быстро восстанавливать это состояния (то есть, как раз последовательность LIFO). А если копнуть еще глубже, то в принципе весь подход к запуску и выполнению программ устроен на принципе стека, где прежде чем следующая программа, запущенная из основной, будет выполняться, состояние предыдущей заносится в стек, чтобы когда запущенное приложение или подпрограмма закончила выполняться, предыдущая программа нормально продолжила выполняться с места остановки.
Какие операции у stack? Основных операций всего две:
1. Добавление элемента в вершину стека называется push
2. Извлечения верхнего элемента называется pop
Но, так же периодически можно встретить реализацию операции чтения верхнего элемента без его извлечения - называется peek .
Как организуется стек? Обычно стек реализуется двумя вариантами:
1. С помощью массива и переменной, которая указывает на ячейку с вершиной стека
2. С помощью связанных списков
У каждого из этих 2-х вариантов есть свои плюсы и минусы. Например, связанные списки более безопасны в плане применения, так как каждый добавляемый элемент помещается в динамически созданную структуру (нет проблем с количеством элементов - нет дырок безопасности, позволяющих свободно перемещаться в памяти программы). Однако, в плане хранения и быстроты использования они менее эффективны (требуют дополнительное место для хранения указателей; разбросаны в памяти, а не расположены друг за другом, как в массивах).
Теперь, вы знаете что такое стек, а так же зачем он нужен и для чего применяется.
(англ. last in - first out , «последним пришёл - первым вышел»).
Чаще всего принцип работы стека сравнивают со стопкой тарелок: чтобы взять вторую сверху, нужно снять верхнюю.
В некоторых языках (например, Lisp , Python ) стеком можно назвать любой список, так как для них доступны операции pop и push. В языке C++ стандартная библиотека имеет класс с реализованной структурой и методами . И т. д.
Программный стек
Организация в памяти
Зачастую стек реализуется в виде однонаправленного списка (каждый элемент в списке содержит помимо хранимой информации в стеке указатель на следующий элемент стека).
Но также часто стек располагается в одномерном массиве с упорядоченными адресами. Такая организация стека удобна, если элемент информации занимает в памяти фиксированное количество слов, например, 1 слово. При этом отпадает необходимость хранения в элементе стека явного указателя на следующий элемент стека, что экономит память. При этом указатель стека (Stack Pointer , - SP ) обычно является регистром процессора и указывает на адрес головы стека.
Предположим для примера, что голова стека расположена по меньшему адресу, следующие элементы располагаются по нарастающим адресам. При каждом вталкивании слова в стек, SP сначала уменьшается на 1 и затем по адресу из SP производится запись в память. При каждом извлечении слова из стека (выталкивании) сначала производится чтение по текущему адресу из SP и последующее увеличение содержимого SP на 1.
При организации стека в виде однонаправленного списка значением переменной стека является указатель на его вершину - адрес вершины. Если стек пуст, то значение указателя равно NULL.
Пример реализации стека на языке С:
struct stack { char * data ; struct stack * next ; };
Операции со стеком
Возможны три операции со стеком: добавление элемента (иначе проталкивание, push ), удаление элемента (pop ) и чтение головного элемента (peek ) .
При проталкивании (push ) добавляется новый элемент, указывающий на элемент, бывший до этого головой. Новый элемент теперь становится головным.
При удалении элемента (pop ) убирается первый, а головным становится тот, на который был указатель у этого объекта (следующий элемент). При этом значение убранного элемента возвращается.
void push ( STACK * ps , int x ) // Добавление в стек нового элемента { if ( ps -> size == STACKSIZE ) // Не переполнен ли стек? { fputs ( "Error: stack overflow \n " , stderr ); abort (); } else { ps -> items [ ps -> size ++ ] = x ; } } int pop ( STACK * ps ) // Удаление из стека { if ( ps -> size == 0 ) // Не опустел ли стек? { fputs ( "Error: stack underflow \n " , stderr ); abort (); } else { return ps -> items [ -- ps -> size ]; } }
Область применения
Программный вид стека используется для обхода структур данных , например, дерево или граф . При использовании рекурсивных функций также будет применяться стек, но аппаратный его вид. Кроме этих назначений, стек используется для организации стековой машины , реализующей вычисления в обратной польской записи .
Для отслеживания точек возврата из подпрограмм используется стек вызовов.
Идея стека используется в стековой машине среди стековых языков программирования .
Применение стека упрощает и ускоряет работу программы, так как идет обращение к нескольким данным по одному адресу.
Аппаратный стек
До использования стека он должен быть инициализирован так, чтобы регистры SS:ESP указывали на адрес головы стека в области физической оперативной памяти, причём под хранение данных в стеке необходимо зарезервировать нужное количество ячеек памяти (очевидно, что стек в ПЗУ , естественно, не может быть организован). Прикладные программы, как правило, от операционной системы получают готовый к употреблению стек. В защищённом режиме работы процессора сегмент состояния задачи содержит четыре селектора сегментов стека (для разных уровней привилегий), но в каждый момент используется только один стек .
Примечания
- Машина Тьюринга: Введение (неопр.) . Проверено 12 февраля 2013.
Чаще всего принцип работы стека сравнивают со стопкой тарелок: чтобы взять вторую сверху, нужно снять верхнюю.
В некоторых языках (например, Lisp , Python ) стеком можно назвать любой список, так как для них доступны операции pop и push. В языке C++ стандартная библиотека имеет класс с реализованной структурой и методами . И т. д.
Энциклопедичный YouTube
1 / 3
Информатика. Структуры данных: Стек. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»
#9. Стек / 1. Ассемблер и процедуры / Программирование с нуля
Основы сетей передачи данных. Модель OSI и стек протоколов TCP IP. Основы Ethernet.
Субтитры
Программный стек
Организация в памяти
Зачастую стек реализуется в виде однонаправленного списка (каждый элемент в списке содержит помимо хранимой информации в стеке указатель на следующий элемент стека).
Но также часто стек располагается в одномерном массиве с упорядоченными адресами. Такая организация стека удобна, если элемент информации занимает в памяти фиксированное количество слов, например, 1 слово. При этом отпадает необходимость хранения в элементе стека явного указателя на следующий элемент стека, что экономит память. При этом указатель стека (Stack Pointer , - SP ) обычно является регистром процессора и указывает на адрес головы стека.
Предположим для примера, что голова стека расположена по меньшему адресу, следующие элементы располагаются по нарастающим адресам. При каждом вталкивании слова в стек, SP сначала уменьшается на 1 и затем по адресу из SP производится запись в память. При каждом извлечении слова из стека (выталкивании) сначала производится чтение по текущему адресу из SP и последующее увеличение содержимого SP на 1.
При организации стека в виде однонаправленного списка значением переменной стека является указатель на его вершину - адрес вершины. Если стек пуст, то значение указателя равно NULL.
Пример реализации стека на языке С:
struct stack { char * data ; struct stack * next ; };
Операции со стеком
Возможны три операции со стеком: добавление элемента (иначе проталкивание, push ), удаление элемента (pop ) и чтение головного элемента (peek ) .
При проталкивании (push ) добавляется новый элемент, указывающий на элемент, бывший до этого головой. Новый элемент теперь становится головным.
При удалении элемента (pop ) убирается первый, а головным становится тот, на который был указатель у этого объекта (следующий элемент). При этом значение убранного элемента возвращается.
void push ( STACK * ps , int x ) // Добавление в стек нового элемента { if ( ps -> size == STACKSIZE ) // Не переполнен ли стек? { fputs ( "Error: stack overflow \n " , stderr ); abort (); } else { ps -> items [ ps -> size ++ ] = x ; } } int pop ( STACK * ps ) // Удаление из стека { if ( ps -> size == 0 ) // Не опустел ли стек? { fputs ( "Error: stack underflow \n " , stderr ); abort (); } else { return ps -> items [ -- ps -> size ]; } }
Область применения
Программный вид стека используется для обхода структур данных, например, дерево или граф . При использовании рекурсивных функций также будет применяться стек, но аппаратный его вид. Кроме этих назначений, стек используется для организации
Аналогичные процессы происходят при аппаратном прерывании (процессор X86 при аппаратном прерывании сохраняет автоматически в стеке ещё и регистр флагов). Кроме того, компиляторы размещают локальные переменные процедур в стеке (если в процессоре предусмотрен доступ к произвольному месту стека).
До использования стека он должен быть инициализирован так, чтобы регистры SS:ESP указывали на адрес головы стека в области физической оперативной памяти, причем под хранение данных в стеке необходимо зарезервировать нужное количество ячеек памяти (очевидно, что стек в ПЗУ , естественно, не может быть организован). Прикладные программы, как правило, от операционной системы получают готовый к употреблению стек. В защищенном режиме работы процессора сегмент состояния задачи содержит четыре селектора сегментов стека (для разных уровней привилегий), но в каждый момент используется только один стек .
Мы используем всё более продвинутые языки программирования, которые позволяют нам писать меньше кода и получать отличные результаты. За это приходится платить. Поскольку мы всё реже занимаемся низкоуровневыми вещами, нормальным становится то, что многие из нас не вполне понимают, что такое стек и куча, как на самом деле происходит компиляция, в чём разница между статической и динамической типизацией, и т.д. Я не говорю, что все программисты не знают об этих понятиях - я лишь считаю, что порой стоит возвращаться к таким олдскульным вещам.
Сегодня мы поговорим лишь об одной теме: стек и куча. И стек, и куча относятся к различным местоположениям, где происходит управление памятью, но стратегия этого управления кардинально отличается.
Стек
Стек - это область оперативной памяти, которая создаётся для каждого потока. Он работает в порядке LIFO (Last In, First Out), то есть последний добавленный в стек кусок памяти будет первым в очереди на вывод из стека. Каждый раз, когда функция объявляет новую переменную, она добавляется в стек, а когда эта переменная пропадает из области видимости (например, когда функция заканчивается), она автоматически удаляется из стека. Когда стековая переменная освобождается, эта область памяти становится доступной для других стековых переменных.
Из-за такой природы стека управление памятью оказывается весьма логичным и простым для выполнения на ЦП; это приводит к высокой скорости, в особенности потому, что время цикла обновления байта стека очень мало, т.е. этот байт скорее всего привязан к кэшу процессора. Тем не менее, у такой строгой формы управления есть и недостатки. Размер стека - это фиксированная величина, и превышение лимита выделенной на стеке памяти приведёт к переполнению стека. Размер задаётся при создании потока, и у каждой переменной есть максимальный размер, зависящий от типа данных. Это позволяет ограничивать размер некоторых переменных (например, целочисленных), и вынуждает заранее объявлять размер более сложных типов данных (например, массивов), поскольку стек не позволит им изменить его. Кроме того, переменные, расположенные на стеке, всегда являются локальными.
В итоге стек позволяет управлять памятью наиболее эффективным образом - но если вам нужно использовать динамические структуры данных или глобальные переменные, то стоит обратить внимание на кучу.
Куча
Куча - это хранилище памяти, также расположенное в ОЗУ, которое допускает динамическое выделение памяти и не работает по принципу стека: это просто склад для ваших переменных. Когда вы выделяете в куче участок памяти для хранения переменной, к ней можно обратиться не только в потоке, но и во всем приложении. Именно так определяются глобальные переменные. По завершении приложения все выделенные участки памяти освобождаются. Размер кучи задаётся при запуске приложения, но, в отличие от стека, он ограничен лишь физически, и это позволяет создавать динамические переменные.
Вы взаимодействуете с кучей посредством ссылок, обычно называемых указателями - это переменные, чьи значения являются адресами других переменных. Создавая указатель, вы указываете на местоположение памяти в куче, что задаёт начальное значение переменной и говорит программе, где получить доступ к этому значению. Из-за динамической природы кучи ЦП не принимает участия в контроле над ней; в языках без сборщика мусора (C, C++) разработчику нужно вручную освобождать участки памяти, которые больше не нужны. Если этого не делать, могут возникнуть утечки и фрагментация памяти, что существенно замедлит работу кучи.
В сравнении со стеком, куча работает медленнее, поскольку переменные разбросаны по памяти, а не сидят на верхушке стека. Некорректное управление памятью в куче приводит к замедлению её работы; тем не менее, это не уменьшает её важности - если вам нужно работать с динамическими или глобальными переменными, пользуйтесь кучей.
Стек - это феномен программирования и естественное решение. Стек сразу пришел в компьютерное дело и стал таким «родным», как будто именно с него все начиналось.
Без стека не работает процессор, нет рекурсии и эффективные вызовы функций организовать невозможно. Любой алгоритм может обойтись без очереди, списка, коллекции, массива или системы организованных объектов, но без памяти и стека не работает ничего, в том числе все перечисленное.
На заре начала: процессор, память и стек
Идеальная память обеспечивает адресацию прямо к значению - это уровни машины и языка высокой степени. В первом случае процессор последовательно перебирает адреса памяти и выполняет команды. Во втором случае программист манипулирует массивами. В обоих эпизодах есть:
- адрес = значение;
- индекс = значение.
Адрес может быть абсолютным и относительным, индекс может быть цифровым и ассоциативным. По адресу и индексу может находиться другой адрес, а не значение, но это детали косвенной адресации. Без памяти процессор работать не может, а без стека команд и данных - он, как лодка без весел.
Стопка тарелок - традиционная новелла о сути стека: понятие stack и перевод в общебытовом сознании. Нельзя взять тарелку снизу, можно брать только сверху, и тогда все тарелки будут целы.
Все, что последним приходит в стек, уходит первым. Идеальное решение. По сути, stack, как перевод одного действия в другое, трансформирует представления об алгоритме как последовательности операций.
Суть и понятие стека
Процессор и память - основные конструктивные элементы компьютера. Процессор исполняет команды, манипулирует адресами памяти, извлекает и изменяет значения по этим адресам. На языке программирования все это трансформируется в переменные и их значения. Суть стека и понятие last in first out (LIFO) остается неизменным.
Аббревиатура LIFO уже не используется так часто, как раньше. Вероятно потому, что списки трансформировались в объекты, а очереди first in first out (FIFO) применяются по мере необходимости. Динамика типов данных потеряла свою актуальность в контексте описания переменных, но приобрела свою значимость на момент исполнения выражений: тип данного определяется в момент его использования, а до этого момента можно описывать что угодно и как угодно.
Так, стек - что это такое? Теперь вы знаете, что это вопрос неуместный. Ведь без стека нет современного программирования. Любой вызов функции - это передача параметров и адреса возврата. Функция может вызвать другую функцию - это опять передача параметров и адреса возврата. Наладить механизм вызова значений без стека - это лишняя работа, хотя достижимое решение, безусловно, возможное.
Многие спрашивают: "Стек - что это такое?". В контексте вызова функции он состоит из трех действий:
- сохранения адреса возврата;
- сохранения всех передаваемых переменных или адреса на них;
- вызова функции.
Как только вызванная функция исполнит свою миссию, она просто вернет управление по адресу возврата. Функция может вызывать любое количество других функций, так как ограничение накладывается только размером стека.
Свойства стека
Стек - это не абстрактный тип данных, а реальный механизм. На уровне процессора - это «движок», который уточняет и дополняет работу основного цикла процессора. Как битовая арифметика, стек фиксирует простые и очевидные правила работы. Это надежно и безопасно.
Характерные свойства стека - это его размер и длина элементов. На уровне процессора все определяется разрядностью, адресацией памяти и физикой доступа к ней. Интересная особенность и традиция: стек растет вниз, то есть в сторону уменьшения адресов памяти, а память программ и данных - вверх. Это обычно, но не обязательно. Здесь важен смысл - пришел последним, а ушел первым. Это удивительно простое правило позволяет строить интересные алгоритмы работы прежде всего на языках высокого уровня. Теперь вы не будете спрашивать, стек - что это такое.
Безукоризненная работа аппаратного обеспечения уже очень давно является нормой, но на передовом крае информационных технологий идея стека обретает новые и перспективные применения.
По сути не важно, что такое стек на уровне процессора. Это естественная составляющая архитектуры компьютера. Но в программировании стек зависит от конкретного применения и способностей программиста.
Массивы, коллекции, списки, очереди... Стек!
Часто люди задают вопрос: "Стек - что это такое?". "Программирование" и "систематизация" - интересные понятия: они не синонимы, но так тесно связаны. Программирование прошло очень быстро такой длительный путь, что достигнутые вершины кажутся идеальными. Скорее всего, это не так. Но очевидно другое.
Идея стека стала привычной не только на уровне различных языков программирования, но и на уровне их конструкций и возможностей по созданию типов данных. Любой массив имеет push и pop, а понятия "первый и последний элементы массива" стали традиционными. Раньше были просто элементы массива, а сегодня есть:
- элементы массива;
- первый элемент массива;
- последний элемент массива.
Операция помещения элемента в массив сдвигает указатель, а извлечение элемента с начала массива или с его конца имеет значение. По сути это тот же стек, но в применении к другим типам данных.
Особенно примечательно, что популярные языки программирования не имеют конструкции stack. Но они предоставляют его идею разработчику в полном объеме.