Что такое стек в программировании

Что такое стек в программировании

Обновл. 31 Дек 2019 |

Память, которую используют программы, состоит из нескольких частей — сегментов:

Сегмент кода (или ещё «текстовый сегмент»), где находится скомпилированная программа. Обычно доступен только для чтения.

Сегмент bss (или ещё «неинициализированный сегмент данных»), где хранятся глобальные и статические переменные, инициализированные нулём.

Сегмент данных (или ещё «сегмент инициализированных данных»), где хранятся инициализированные глобальные и статические переменные.

Куча, откуда выделяются динамические переменные.

Стек вызовов, где хранятся параметры функции, локальные переменные и другая информация, связанная с функциями.

В этом уроке мы рассмотрим только кучу и стек в C++, поскольку всё самое интересное происходит именно здесь.

Сегмент кучи (или просто «куча») отслеживает память, используемую для динамического выделения. Мы уже немного поговорили о куче в уроке №85.

В C++, при использовании оператора new для выделения динамической памяти, эта память выделяется в сегменте кучи самой программы:

Адрес выделяемой памяти передаётся обратно оператором new и затем он может быть сохранён в указателе. О механизме хранения и выделения свободной памяти нам сейчас беспокоиться незачем. Однако стоит знать, что последовательные запросы памяти не всегда приводят к выделению последовательных адресов памяти!

При удалении динамически выделенной переменной, память возвращается обратно в кучу и затем может быть переназначена (исходя из последующих запросов). Помните, что удаление указателя не удаляет переменную, а просто приводит к возврату памяти по этому адресу обратно в операционную систему.

Куча имеет свои преимущества и недостатки:

Выделение памяти в куче сравнительно медленное.

Выделенная память остается выделенной до тех пор, пока не будет освобождена (остерегайтесь утечек памяти) или пока программа не завершит своё выполнение.

Доступ к динамически выделенной памяти осуществляется только через указатель. Разыменование указателя происходит медленнее, чем доступ к переменной напрямую.

Поскольку куча представляет собой большой резервуар памяти, то именно она используется для выделения больших массивов, структур или классов.

Стек вызовов

Стек вызовов (или просто «стек») отслеживает все активные функции (те, которые были вызваны, но ещё не завершены) от начала программы и до текущей точки выполнения, и обрабатывает выделение всех параметров функции и локальных переменных.

Стек вызовов реализуется как структура данных «Стек». Поэтому, прежде чем мы поговорим о том, как работает стек вызовов, нам нужно понять, что такое стек как структура данных.

Стек как структура данных

Структура данных в программировании — это механизм организации данных для их эффективного использования. Вы уже видели несколько типов структур данных, таких как массивы и структуры. Существует ещё много других структур данных, которые обычно используются в программировании. Некоторые из них реализованы в стандартной библиотеке C++, и стек является одним из таковых.

Например, рассмотрим стопку (аналогия — стек) тарелок на столе. Поскольку каждая тарелка тяжёлая, а они ещё сложены друг на друге, то вы сможете сделать что-то одно из следующего:

Посмотреть на поверхность первой тарелки (которая находится на самом верху).

Взять верхнюю тарелку из стопки (обнажая таким образом следующую тарелку, которая находится под ней — если она вообще есть).

Положить новую тарелку поверх стопки (спрятав под ней самую верхнюю тарелку — если она вообще была).

В компьютерном программировании стек представляет собой контейнер, как структуру данных, который содержит несколько переменных (подобно массиву). Однако, в то время как массив позволяет получить доступ и изменять элементы в любом порядке (так называемый «произвольный доступ»), стек более ограничен. Операции, которые могут выполняться в стеке, соответствуют трём перечисленным выше. В стеке вы можете:

Посмотреть на верхний элемент стека (используя функцию top() или peek()).

Вытянуть верхний элемент стека (используя функцию pop()).

Добавить новый элемент поверх стека (используя функцию push()).

Стек — это структура данных типа LIFO (англ. «Last In, First Out» — «Последним пришёл, первым ушёл»). Последний элемент, который будет находиться на вершине стека, первым и уйдёт из него. Если положить новую тарелку поверх других тарелок, то именно эту тарелку вы первой и возьмёте. По мере того, как элементы помещаются в стек — стек растёт, по мере того, как элементы удаляются со стека — стек уменьшается.

Читайте также:  Электропила патриот esp 1814

Например, рассмотрим коротенькую последовательность, показывающую, как работает добавление и удаление в стеке:

Stack: empty
Push 1
Stack: 1
Push 2
Stack: 1 2
Push 3
Stack: 1 2 3
Push 4
Stack: 1 2 3 4
Pop
Stack: 1 2 3
Pop
Stack: 1 2
Pop
Stack: 1

Стопка тарелок довольно-таки хорошая аналогия работы стека, но есть аналогия и получше. Например, рассмотрим несколько почтовых ящиков, которые расположены друг на друге. Каждый почтовый ящик может содержать только один элемент, и все почтовые ящики изначально пустые. Кроме того, каждый почтовый ящик прибивается гвоздём к почтовому ящику снизу, поэтому количество почтовых ящиков не может быть изменено. Если мы не можем изменить количество почтовых ящиков, то как мы получим поведение, подобное стеку?

Во-первых, мы используем наклейку для обозначения того, где находится самый нижний пустой почтовый ящик. Вначале это будет первый почтовый ящик, который находится на полу. Когда мы добавим элемент в наш стек почтовых ящиков, то мы поместим этот элемент в почтовый ящик, на котором будет наклейка (т.е. в самый первый пустой почтовый ящик на полу), а затем переместим наклейку на один почтовый ящик выше. Когда мы вытаскиваем элемент из стека, то мы перемещаем наклейку на один почтовый ящик ниже и удаляем элемент из почтового ящика. Всё, что находится ниже наклейки — находится в стеке. Всё, что находится в ящике с наклейкой и выше — находится вне стека.

Сегмент стека вызовов

Сегмент стека вызовов содержит память, используемую для стека вызовов. При запуске программы, функция main() помещается в стек вызовов операционной системой. Затем программа начинает своё выполнение.

Когда программа встречает вызов функции, то эта функция помещается в стек вызовов. При завершении выполнения функции, она удаляется из стека вызовов. Таким образом, просматривая функции, добавленные в стек, мы можем видеть все функции, которые были вызваны до текущей точки выполнения.

Наша аналогия с почтовыми ящиками — это действительно то, как работает стек вызовов. Стек вызовов имеет фиксированное количество адресов памяти (фиксированный размер). Почтовые ящики являются адресами памяти, а «элементы», которые мы добавляем и вытягиваем из стека, называются фреймами (или еще «кадрами») стека. Кадр стека отслеживает все данные, связанные с одним вызовом функции. «Наклейка» — это регистр (небольшая часть памяти в ЦП), который является указателем стека. Указатель стека отслеживает вершину стека вызовов.

Единственное отличие фактического стека вызовов от нашего гипотетического стека почтовых ящиков заключается в том, что, когда мы вытягиваем элемент из стека вызовов, то нам не нужно очищать память (т.е. вынимать всё содержимое из почтового ящика). Мы можем просто оставить эту память для следующего элемента, который и перезапишет её. Поскольку указатель стека будет ниже этого адреса памяти, то, как мы уже знаем, эта ячейка памяти не будет находится в стеке.

Стек вызовов на практике

Давайте рассмотрим более подробно, как работает стек вызовов. Ниже приведена последовательность шагов, выполняемых при вызове функции:

Программа сталкивается с вызовом функции.

Фрейм стека создаётся и помещается в стек. Он состоит из:

Адреса инструкции, который находится за вызовом функции (так называемый «обратный адрес»). Так процессор запоминает, куда возвращаться после выполнения функции.

Памяти для локальных переменных.

Сохранённых копий всех регистров, модифицированных функцией, которые необходимо будет восстановить после того, как функция завершит своё выполнение.

Процессор переходит к точке начала выполнения функции.

Инструкции внутри функции начинают выполняться.

После завершения функции, выполняются следующие шаги:

Регистры восстанавливаются из стека вызовов.

Фрейм стека вытягивается из стека. Освобождается память, которая была выделена для всех локальных переменных и аргументов.

Обрабатывается возвращаемое значение.

ЦП возобновляет выполнение кода (исходя из обратного адреса).

Возвращаемые значения могут обрабатываться разными способами, в зависимости от архитектуры компьютера. Некоторые архитектуры считают возвращаемое значение частью фрейма стека. Другие используют регистры процессора.

Знать все детали работы стека вызовов не так уж и важно. Однако понимание того, что функции при вызове добавляются в стек, а при завершении выполнения — удаляются из стека, даёт основы, необходимые для понимания рекурсии, а также некоторых других концепций, которые полезны при отладке программ.

Стеком называется упорядоченный набор элементов, в котором размещение новых и удаление существующих происходит с одного конца, называемого вершиной .

Читайте также:  Открытые пироги с фруктами и ягодами

Дисциплина обслуживания — это совокупность правил (упорядочение и алгоритм) обслуживания элементов динамической структуры данных.

В зависимости от дисциплины обслуживания различают те или иные структуры динамических данных.

Принцип работы стека сравнивают со стопкой листов бумаги: чтобы взять второй сверху, нужно снять верхний.

В стеке реализуется дисциплина обслуживания LIFO:

  • LAST — последний
  • INPUT — вошел
  • FIRST — первый
  • OUTPUT — вышел

Различают аппаратный и программный стек.

Аппаратный стек используется для хранения адресов возврата из функций и их аргументов.
Программный стек – это пользовательская модель (структура) данных.

Операции для работы со стеком

Над стеком реализованы следующие операции:

  • инициализация стека init(s) , где s — стек
  • помещение элемента в стек push(s, i) , где s — стек, i — помещаемый элемент;
  • удаление элемента из стека i=pop(s);
  • получение верхнего элемента стека без его удаления i=stkTop(s) , где s — стек
  • получение количества элементов стека
  • определение, пуст ли стек isempty(s) возвращает 1 если стек пустой и 0 в противном случае.
  • вывод элементов стека stkPrint(s) , где s — стек

Способы реализации стека

Существует несколько способов реализации стека:

  • с помощью одномерного массива;
  • с помощью связанного списка;
  • с помощью класса объектно-ориентированного программирования.

Пример реализации стека с помощью одномерного массива

Стек можно реализовать в виде следующей структуры:

Инициализация стека

Индекс элемента, находящегося в вершине стека, равен 0.

Помещение элемента в стек

В элемент массива с индексом top записывается значение f . После этого вершина стека, соответствующая количеству элементов в массиве, перемещается на 1 элемент влево.

Удаление элемента из стека

Если в массиве, соответствующем стеку, есть элементы, то количество элементов уменьшается на 1. После этого возвращается последний элемент.

Привет, я студент второго курса технического университета. После пропуска нескольких пар программирования по состоянию здоровья, я столкнулся с непониманием таких тем, как «Стек» и «Очередь». Путем проб и ошибок, спустя несколько дней, до меня наконец дошло, что это такое и с чем это едят. Чтобы у вас понимание не заняло столько времени, в данной статье я расскажу о том что такое «Стек», каким образом и на каких примерах я понял что это такое. Если вам понравится, я напишу вторую часть, которая будет затрагивать уже такое понятие, как «Очередь»

На Википедии определение стека звучит так:

Стек (англ. stack — стопка; читается стэк) — абстрактный тип данных, представляющий собой список элементов, организованных по принципу LIFO (англ. last in — first out, «последним пришёл — первым вышел»).

Поэтому первое, на чем бы я хотел заострить внимание, это представление стека в виде вещей из жизни. Первой на ум мне пришла интерпретация в виде стопки книг, где верхняя книга — это вершина.

На самом деле стек можно представить в виде стопки любых предметов будь то стопка листов, тетрадей, рубашек и тому подобное, но пример с книгами я думаю будет самым оптимальным.

Итак, из чего же состоит стек.

Стек состоит из ячеек(в примере — это книги), которые представлены в виде структуры, содержащей какие-либо данные и указатель типа данной структуры на следующий элемент.
Сложно? Не беда, давайте разбираться.

На данной картинке схематично изображен стек. Блок вида «Данные/*next» и есть наша ячейка. *next, как мы видим, указывает на следующий элемент, другими словами указатель *next хранит адрес следующей ячейки. Указатель *TOP указывает на вершину стек, то есть хранит её адрес.

С теорией закончили, перейдем к практике.

Для начала нам нужно создать структуру, которая будет являться нашей «ячейкой»

Новичкам возможно будет не понятно, зачем наш указатель — типа comp, точнее сказать указатель типа структуры comp. Объясню, для того чтобы указатель *next мог хранить структуру comp, ей нужно обозначить тип этой структуры. Другими словами указать, что будет хранить указатель.

После того как у нас задана «Ячейка», перейдем к созданию функций.

Функции

Функция создания «Стека»/добавления элемента в «Стек»

При добавлении элемента у нас возникнет две ситуации:

  • Стек пуст, и нужно создать его
  • Стек уже есть и нужно лишь добавить в него новый элемент

Функцию я назову s_push, перейдем к коду.

Разберем чуть чуть по-подробнее.
Во-первых, почему функция принимает **top, то есть указатель на указатель, для того чтобы вам было наиболее понятно, я оставлю рассмотрение этого вопроса на потом. Во-вторых, по-подробнее поговорим о q->next = *top и о том, что же означает ->.

Читайте также:  Соединение витой пары скруткой

-> означает то, что грубо говоря, мы заходим в нашу структуру и достаем оттуда элемент этой структуры. В строчке q->next = *top мы из нашей ячейки достаем указатель на следующий элемент *next и заменяем его на указатель, который указывает на вершину стека *top. Другими словами мы проводим связь, от нового элемента к вершине стека. Тут ничего сложного, все как с книгами. Новую книгу мы кладем ровно на вершину стопки, то есть проводим связь от новой книги к вершине стопки книг. После этого новая книга автоматически становится вершиной, так как стек не стопка книг, нам нужно указать, что новый элемент — вершина, для этого пишется: *top = q;.

Функция удаления элемента из «Стека» по данным

Данная функция будет удалять элемент из стека, если число Data ячейки(q->Data) будет равна числу, которое мы сами обозначим.

Здесь могут быть такие варианты:

  • Ячейка, которую нам нужно удалить является вершиной стека
  • Ячейка, которую нам нужно удалить находится в конце, либо между двумя ячейками

Указатель q в данном случае играет такую же роль, что и указатель в блокноте, он бегает по всему стеку, пока не станет равным NULL(while(q != NULL)), другими словами, пока стек не закончится.

Для лучшего понимания удаления элемента проведем аналогии с уже привычной стопкой книг. Если нам нужно убрать книгу сверху, мы её убираем, а книга под ней становится верхней. Тут то же самое, только в начале мы должны определить, что следующий элемент станет вершиной *top = q->next; и только потом удалить элемент free(q);

Если книга, которую нужно убрать находится между двумя книгами или между книгой и столом, предыдущая книга ляжет на следующую или на стол. Как мы уже поняли, книга у нас-это ячейка, а стол получается это NULL, то есть следующего элемента нет. Получается так же как с книгами, мы обозначаем, что предыдущая ячейка будет связана с последующей prev->next = q->next;, стоит отметить что prev->next может равняться как ячейке, так и нулю, в случае если q->next = NULL, то есть ячейки нет(книга ляжет на стол), после этого мы очищаем ячейку free(q).

Так же стоит отметить, что если не провести данную связь, участок ячеек, который лежит после удаленной ячейки станет недоступным, так как потеряется та самая связь, которая соединяет одну ячейку с другой и данный участок просто затеряется в памяти

Функция вывода данных стека на экран

Самая простая функция:

Здесь я думаю все понятно, хочу сказать лишь то, что q нужно воспринимать как бегунок, он бегает по всем ячейкам от вершины, куда мы его установили вначале: *q = top;, до последнего элемента.

Главная функция

Хорошо, основные функции по работе со стеком мы записали, вызываем.
Посмотрим код:

Вернемся к тому, почему же в функцию мы передавали указатель на указатель вершины. Дело в том, что если бы мы ввели в функцию только указатель на вершину, то «Стек» создавался и изменялся только внутри функции, в главной функции вершина бы как была, так и оставалась NULL. Передавая указатель на указатель мы изменяем вершину *top в главной функции. Получается если функция изменяет стек, нужно передавать в нее вершину указателем на указатель, так у нас было в функции s_push,s_delete_key. В функции s_print «Стек» не должен изменяться, поэтому мы передаем просто указатель на вершину.
Вместо цифр 1,2,3,4,5 можно так-же использовать переменные типа int.

Полный код программы:

Так как в стек элементы постоянно добавляются на вершину, выводиться элементы будут в обратном порядке

В заключение хотелось бы поблагодарить за уделенное моей статье время, я очень надеюсь что данный материал помог некоторым начинающим программистам понять, что такое «Стек», как им пользоваться и в дальнейшем у них больше не возникнет проблем. Пишите в комментариях свое мнение, а так же о том, как мне улучшить свои статьи в будущем. Спасибо за внимание.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector