Что такое стэк. Пример: калькулятор в обратной польской записи
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.
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»
Теория
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»).
Достаточно полное определение, но возможно для новичков оно будет немного трудным для понимания.
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.
Практика
Для начала нам нужно создать структуру, которая будет являться нашей «ячейкой»
Код на C++
struct comp { //Структура с названием comp(от слова component) int Data; //Какие-то данные(могут быть любыми, к примеру можно написать int key; char Data; так-же можно добавить еще какие-либо данные) comp *next;//Указатель типа comp на следующий элемент };
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
Код на C++
void s_push(comp **top, int D) { //функция типа void(ничего не возвращает) которая принимает указатль на вершину стека и переменную которая будет записываться в ячейку comp *q; //Создаем новый указатель q типа структуры comp. По сути это и есть наш новый элемент q = new comp(); //выделяем память для нового элемента q->Data = D; //Записываем необходимое число в Data элемента if (top == NULL) { //Если вершины нет, то есть стек пустой *top = q; //вершиной стека будет новый элемент } else //если стек не пустой { q->next = *top; //Проводим связь от нового элемента, к вершине. Тоесть кладем книжку на вершину стопки. *top = q; //Обозначаем, что вершиной теперь является новый элемент } }
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 ->
.
-> 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
Код на C++
void s_delete_key(comp **top, int N) {//функция которая принимает вершину top и число которое нужно удалить comp *q = *top; //создаем указатель типа comp и приравниваем(ставим) его на вершину стека comp *prev = NULL;//создаем указатель на предыдуший элемент, с начала он будет пустым while (q != NULL) {//пока указатель q не пустой, мы будем выполнять код в цикле, если он все же пустой цикл заканчивается if (q->Data == N) {//если Data элемента равна числу, которое нам нужно удалить if (q == *top) {//если такой указатель равен вершине, то есть элемент, который нам нужно удалить - вершина *top = q->next;//передвигаем вершину на следующий элемент free(q);//очищаем ячейку q->Data = NULL; //Далее во избежание ошибок мы обнуляем переменные в удаленной ячейке, так как в некоторых компиляторах удаленная ячейка имеет переменные не NULL значения, а дословно "Чтение памяти невозможно" или числа "-2738568384" или другие, в зависимости от компилятора. q->next = NULL; } else//если элемент последний или находится между двумя другими элементами { prev->next = q->next;//Проводим связь от предыдущего элемента к следующему free(q);//очищаем ячейку q->Data = NULL;//обнуляем переменные q->next = NULL; } }// если Data элемента НЕ равна числу, которое нам нужно удалить prev = q; //запоминаем текущую ячейку как предыдущую q = q->next;//перемещаем указатель q на следующий элемент } }
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:
Код на C++
void s_print(comp *top) { //принимает указатель на вершину стека comp *q = top; //устанавливаем q на вершину while (q) { //пока q не пустой (while(q) эквивалентно while(q != NULL)) printf_s("%i", q->Data);//выводим на экран данные ячейки стека q = q->next;//после того как вывели передвигаем q на следующий элемент(ячейку) } }
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:
Код на C++
void main() { comp *top = NULL; //в начале программы у нас нет очереди, соответственно вершины нет, даем ей значение NULL //Дальше начинаем добавлять цифры от 1 до 5 в наш стек s_push(&top, 1); s_push(&top, 2); s_push(&top, 3); s_push(&top, 4); s_push(&top, 5); //после выполнения функций в стеке у нас будет 54321 s_print(top);//выводим s_delete_key(&top, 4); //Затем удаляем 4, в стеке получается 5321 printf_s("\n");//переводим на новую строку s_print(top);//выводим system("pause");//ставим на паузу }
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.
Заключение
Полный код программы:
Код на C++
#include
Результат выполнения
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.
Теги: Добавить метки
Теги: Стек, стек на си, реализация стека, стек на массиве, динамически растущий стек, стек на односвязном сиске
Стек
С тек – наверное, самая простая структура данных, которую мы будем изучать и которой будем постоянно пользоваться. Стек – это структура данных, в которой элементы поддерживают принцип LIFO (“Last in – first out”): последним зашёл – первым вышел. Или первым зашёл – последним вышел.
Стек позволяет хранить элементы и поддерживает, обычно, две базовые операции:
- PUSH – кладёт элемент на вершину стека
- POP – снимает элемент с вершины стека, перемещая вершину к следующему элементу
Также часто встречается операция PEEK, которая получает элемент на вершине стека, но не снимает его оттуда.
Стек является одной из базовых структур данных и используется не только в программировании, но и в схемотехнике, и просто в производстве, для реализации технологических процессов и т.д.; стек используется в качестве вспомогательной структуры данных во многих алгоритмах и в других более сложных структурах.
Пусть, например, у нас есть стек чисел. Выполним несколько команд. Изначально стек пуст. Вершина стека – указатель на первый элемент, никуда не указывает. В случае си она может быть равна NULL.
Теперь стек состоит из одного элемента, числа 3. Вершина стека указывает на число 3.
Стек состоит из двух элементов, 5 и 3, при этом вершина стека указывает на 5.
Стек состоит из трёх элементов, вершина стека указывает на 7.
Вернёт значение 7, в стеке останется 5 и 3. Вершина будет указывать на следующий элемент – 5.
Вернёт 5, в стеке останется всего один элемент, 3, на который будет указывать вершина стека.
Вернёт 3, стек станет пуст.
Часто сравнивают стек со стопкой тарелок. Чтобы достать следующую тарелку, необходимо снять предыдущие. Вершина стека – это вершина стопки тарелок.
Когда мы будем работать со стеком, возможны две основные и часто встречающиеся ошибки:
- 1. Stack Underflow: Попытка снять элемент с пустого стека
- 2. Stack Overflow: Попытка положить новый элемент на стек, который не может больше расти (например, не хватает оперативной памяти)
Программная реализация
Р ассмотрим три простые реализации стека:
Стек фиксированного размера, построенный на массиве
О тличительная особенность – простота реализации и максимальная скорость выполнения. Такой стек может применяться в том, случае, когда его максимальный размер известен заранее или известно, что он мал.
Сначала определяем максимальный размер массива и тип данных, которые будут в нём храниться:
#define STACK_MAX_SIZE 20 typedef int T;
Теперь сама структура
Typedef struct Stack_tag { T data; size_t size; } Stack_t;
Здесь переменная size – это количество элементов, и вместе с тем указатель на вершину стека. Вершина будет указывать на следующий элемент массива, в который будет занесено значение.
Кладём новый элемент на стек.
Void push(Stack_t *stack, const T value) { stack->data = value; stack->size++; }
Единственная проблема – можно выйти за пределы массива. Поэтому всегда надо проверять, чтобы не было ошибки Stack overflow:
#define STACK_OVERFLOW -100 #define STACK_UNDERFLOW -101 void push(Stack_t *stack, const T value) { if (stack->size >= STACK_MAX_SIZE) { exit(STACK_OVERFLOW); } stack->data = value; stack->size++; }
Аналогично, определим операцию Pop, которая возвращает элемент с вершины и переходит к следующему
T pop(Stack_t *stack) { if (stack->size == 0) { exit(STACK_UNDERFLOW); } stack->size--; return stack->data; }
И функция peek, возвращающая текущий элемент с вершины
T peek(const Stack_t *stack) { if (stack->size <= 0) { exit(STACK_UNDERFLOW); } return stack->data; }
Ещё одно важное замечание – у нас нет функции создания стека, поэтому необходимо вручную обнулять значение size
Вспомогательные функции для печати элементов стека
Void printStackValue(const T value) { printf("%d", value); } void printStack(const Stack_t *stack, void (*printStackValue)(const T)) { int i; int len = stack->size - 1; printf("stack %d > ", stack->size); for (i = 0; i < len; i++) { printStackValue(stack->data[i]); printf(" | "); } if (stack->size != 0) { printStackValue(stack->data[i]); } printf("\n"); }
Заметьте, что в функции печати мы использует int, а не size_t, потому что значение len может стать отрицательным. Функция печатает сначала размер стека, а потом его содержимое, разделяя элементы символом |
Проверка
Stack_t stack; stack.size = 0; push(&stack, 3); printStack(&stack, printStackValue); push(&stack, 5); printStack(&stack, printStackValue); push(&stack, 7); printStack(&stack, printStackValue); printf("%d\n", pop(&stack)); printStack(&stack, printStackValue); printf("%d\n", pop(&stack)); printStack(&stack, printStackValue); printf("%d\n", pop(&stack)); printStack(&stack, printStackValue); _getch();
Рассмотрим также ситуации, когда есть ошибки использования. Underflow
Void main() { Stack_t stack; stack.size = 0; push(&stack, 3); pop(&stack); pop(&stack); _getch(); }
Void main() { Stack_t stack; size_t i; stack.size = 0; for (i = 0; i < 100; i++) { push(&stack, i); } _getch(); }
Динамически растущий стек на массиве
Д инамически растущий стек используется в том случае, когда число элементов может быть значительным и не известно на момент решения задачи. Максимальный размер стека может быть ограничен каким-то числом, либо размером оперативной памяти.
Стек будет состоять из указателя на данные, размера массива (максимального), и числа элементов в массиве. Это число также будет и указывать на вершину.
Typedef struct Stack_tag { T *data; size_t size; size_t top; } Stack_t;
Для начала понадобится некоторый начальный размер массива, пусть он будет равен 10
#define INIT_SIZE 10
Алгоритм работы такой: мы проверяем, не превысило ли значение top значение size. Если значение превышено, то увеличиваем размер массива. Здесь возможно несколько вариантов того, как увеличивать массив. Можно прибавлять число, можно умножать на какое-то значение. Какой из вариантов лучше, зависит от специфики задачи. В нашем случае будем умножать размер на число MULTIPLIER
#define MULTIPLIER 2
Максимального размера задавать не будем. Программа будет выпадать при stack overflow или stack underflow. Будем реализовывать тот же интерфейс (pop, push, peek). Кроме того, так как массив динамический, сделаем некоторые вспомогательные функции, чтобы создавать стек, удалять его и чистить.
Во-первых, функции для создания и удаления стека и несколько ошибок
#define STACK_OVERFLOW -100 #define STACK_UNDERFLOW -101 #define OUT_OF_MEMORY -102 Stack_t* createStack() { Stack_t *out = NULL; out = malloc(sizeof(Stack_t)); if (out == NULL) { exit(OUT_OF_MEMORY); } out->size = INIT_SIZE; out->data = malloc(out->size * sizeof(T)); if (out->data == NULL) { free(out); exit(OUT_OF_MEMORY); } out->top = 0; return out; } void deleteStack(Stack_t **stack) { free((*stack)->data); free(*stack); *stack = NULL; }
Всё крайне просто и понятно, нет никаких подвохов. Создаём стек с начальной длиной и обнуляем значения.
Теперь напишем вспомогательную функцию изменения размера.
Void resize(Stack_t *stack) { stack->size *= MULTIPLIER; stack->data = realloc(stack->data, stack->size * sizeof(T)); if (stack->data == NULL) { exit(STACK_OVERFLOW); } }
Здесь, заметим, в случае, если не удалось выделить достаточно памяти, будет произведён выход с STACK_OVERFLOW.
Функция push проверяет, вышли ли мы за пределы массива. Если да, то увеличиваем его размер
Void push(Stack_t *stack, T value) { if (stack->top >= stack->size) { resize(stack); } stack->data = value; stack->top++; }
Функции pop и peek аналогичны тем, которые использовались для массива фиксированного размера
T pop(Stack_t *stack) { if (stack->top == 0) { exit(STACK_UNDERFLOW); } stack->top--; return stack->data; } T peek(const Stack_t *stack) { if (stack->top <= 0) { exit(STACK_UNDERFLOW); } return stack->data; }
Проверим
Void main() { int i; Stack_t *s = createStack(); for (i = 0; i < 300; i++) { push(s, i); } for (i = 0; i < 300; i++) { printf("%d ", peek(s)); printf("%d ", pop(s)); } deleteStack(&s); _getch(); }
Напишем ещё одну функцию, implode, которая уменьшает массив до размера, равного числу элементов в массиве. Она может быть использована тогда, когда уже известно, что больше элементов вставлено не будет, и память может быть частично освобождена.
Void implode(Stack_t *stack) { stack->size = stack->top; stack->data = realloc(stack->data, stack->size * sizeof(T)); }
Можем использовать в нашем случае
For (i = 0; i < 300; i++) { push(s, i); } implode(s); for (i = 0; i < 300; i++) { printf("%d ", peek(s)); printf("%d ", pop(s)); }
Эта однопоточная реализация стека использует мало обращений к памяти, достаточно проста и универсальна, работает быстро и может быть реализована, при необходимости, за несколько минут. Она используется всегда в дальнейшем, если не указано иное.
У неё есть недостаток, связанный с методом увеличения потребляемой памяти. При умножении в 2 раза (в нашем случае) требуется мало обращений к памяти, но при этом каждое последующее увеличение может привести к ошибке, особенно при маленьком количестве памяти в системе. Если же использовать более щадящий способ выделения памяти (например, каждый раз прибавлять по 10), то число обращений увеличится и скорость упадёт. На сегодня, проблем с размером памяти обычно нет, а менеджеры памяти и сборщики мусора (которых нет в си) работают быстро, так что агрессивное изменение преобладает (на примере, скажем, реализации всей стандартной библиотеки языка Java).
Реализация стека на односвязном списке
Ч то такое односвязный список, . Коротко: односвязный список состоит из узлов, каждый из которых содержит полезную информацию и ссылку на следующий узел. Последний узел ссылается на NULL.
Никакого максимального и минимального размеров у нас не будет (хотя в общем случае может быть). Каждый новый элемент создаётся заново. Для начала определим структуру узел
#define STACK_OVERFLOW -100 #define STACK_UNDERFLOW -101 #define OUT_OF_MEMORY -102 typedef int T; typedef struct Node_tag { T value; struct Node_tag *next; } Node_t;
Функция вставки первого элемента проста: создаём новый узел. Указатель next кидаем на старый узел. Далее указатель на вершину стека перекидываем на вновь созданный узел. Теперь вершина стека указывает на новый узел.
Void push(Node_t **head, T value) { Node_t *tmp = malloc(sizeof(Node_t)); if (tmp == NULL) { exit(STACK_OVERFLOW); } tmp->next = *head; tmp->value = value; *head = tmp; }
Функция pop берёт первый элемент (тот, на который указывает вершина), перекидывает указатель на следующий элемент и возвращает первый. Здесь есть два варианта – можно вернуть узел или значение. Если вернём значение, то придётся удалять узел внутри функции
Node_t* pop1(Node_t **head) { Node_t *out; if ((*head) == NULL) { exit(STACK_UNDERFLOW); } out = *head; *head = (*head)->next; return out; }
T pop2(Node_t **head) { Node_t *out; T value; if (*head == NULL) { exit(STACK_UNDERFLOW); } out = *head; *head = (*head)->next; value = out->value; free(out); return value; }
Теперь вместо проверки на длину массива везде используется проверка на равенство NULL вершины стека.
Простая функция peek
T peek(const Node_t* head) { if (head == NULL) { exit(STACK_UNDERFLOW); } return head->value; }
Итерирование достаточно интересное. Просто переходим от одного узла к другому, пока не дойдём до конца
Void printStack(const Node_t* head) { printf("stack >"); while (head) { printf("%d ", head->value); head = head->next; } }
И ещё одна проблема – теперь нельзя просто посмотреть размер стека. Нужно пройти от начала до конца и посчитать все элементы. Например, так
Size_t getSize(const Node_t *head) { size_t size = 0; while (head) { size++; head = head->next; } return size; }
Конечно, можно хранить размер отдельно, можно обернуть стек со всеми данными ещё в одну структуру и т.д. Рассмотрим всё это при более подробном изучении списков.
При освоении программирования, рано или поздно, возникает вопрос: "Что такое стек?
".
Наиболее наглядным способом объяснения я считаю программу на языке ассемблера (не пугайтесь), которая просто добавляет данные в стек.
Стек - это структура данных присущая всей программируемой технике. Чаще всего принцип работы стека сравнивают со стопкой тарелок: чтобы взять вторую сверху, нужно снять верхнюю. Часто стек называют магазином - по аналогии с магазином в огнестрельном оружии (стрельба начнётся с патрона, заряженного последним).
Зачем все это нужно?
Вы вряд ли сможете написать программу, которая не будет использовать функции (подпрограммы). При вызове функции в стек копируется адрес для возврата после окончания выполнения данной подпрограммы. По окончании её выполнения адрес возвращается из стека в счетчик команд и программа продолжает выполняться с места после функции.
Также в стек необходимо помещать регистры, которые используются в данной подпрограмме (в языках высокого уровня этим занимается компилятор).
Все вышесказанное характерно для так называемого аппаратного стека. Надеюсь вы догадываетесь, что такая структура данных (LIFO - last in, first out) полезна далеко не только при работе на низком уровне. Часто возникает необходимость хранить данные в таком порядке (например известный алгоритм разбора арифметических выражений основан на работе со стеком), тогда программисты реализуют программный стек.
Как это работает?
Давайте разберем работу со стеком
на примере контроллеров семейства MSP430. Я выбрал их только из-за того что у меня оказалась установленной среда для работы с ними.
В MSP430 стек основан на предекрементной схеме. Т.е. перед тем как вы записываете данные в стек он уменьшает адрес вершины стека (верхней тарелки). Бывает также постдекрементный/постинкрементный (вычитание/добавление вершины стека происходит после записи данных) и прединкрементный (перед записью адрес вершины увеличивается).
Если стек увеличивает свой адрес при записи данных, говорят о стеке растущем вверх, если же уменьшает - вниз.
За хранения адреса вершины стека отвечает регистр SP.
Как видите адрес вершины по умолчанию у нас 0x0A00.
Рассмотрим вот такую программу:
PUSH #0123h ; Помещение числа 0123h на вершину стека (TOS) ; копируем данные из памяти MOV.W &0x0A00, R5 MOV.W &0x09FE, R6 ; пишем еще два числа PUSH #9250h PUSH #0000h ; выводим данные из стека POP R8 POP R9 POP R10
Что делает эта программа?
Командой PUSH мы помещаем данные 0123h в стек. Казалось бы этой командой мы запишем 0123h в память по адресу 0x0A00, но мы ведь помним, что стек у нас предекрементный. Поэтому сначала адрес уменьшается на 2 (0x0A00 - 2 = 0x09FE) и в ячейку с полученным адресом записываются данные.
Вот так выглядела память изначально:
После выполнения команды PUSH (красным выделены изменения):
Итак данные записались.
Проверим так ли это выполнив две команды пересылки (mov). Сначала получим данные из ячейки 0x0A00 и запишем их в регистр R5, а затем запишем в регистр R6 данные из ячейки 0x09FE.
После этого в регистрах будет данные:
При выполнении команд POP вершина стека будет увеличиваться на 2 при каждой команде, а в регистры R8-10 попадут данные: 0x0000, 0x9250 и 0x0123 соответственно.
При добавлении других данные память (которая все еще содержит данные, выведенные из стека) будет заполнена новыми значениями.
Проиллюстрировать работу со стеком можно так (слева на право):
Изначально адресом стека был 0x0A00, в нем хранились 0000. При выполнении PUSH верхушкой стека стала ячека ниже (с адресом 0x09FE) и в неё записались данные. С каждой следующей командой верхушка находиться ниже в памяти.
При выполнении команды POP картина обратная.
Жду ваши вопросы в комментариях.
Память, которую используют программы, состоит из нескольких частей — сегментов :
сегмент кода (или «текстовый сегмент»), где находится скомпилированная программа. Сегмент кода обычно доступен только для чтения;
сегмент bss (или «неинициализированный сегмент данных»), где хранятся глобальные и , инициализированные нулем;
сегмент данных (или «сегмент инициализированных данных»), где хранятся инициализированные глобальные и статические переменные;
к уча (heap), откуда выделяются динамические переменные;
стек вызовов , где хранятся , локальные переменные и другая информация, связанная с функциями.
В этом уроке мы рассмотрим только кучу и стек, поскольку всё самое интересное происходит именно там.
Куча
Сегмент кучи (или просто «куча ») отслеживает память, используемую для динамического выделения. Мы уже немного поговорили о куче в .
В C++, при использовании оператора new для выделения динамической памяти, эта память выделяется в сегменте кучи самого приложения.
int *ptr = new int; // ptr выделяется 4 байта из кучи int *array = new int; // array выделяется 40 байтов из кучи
Адрес выделяемой памяти передается обратно оператором new и затем он может быть сохранен в . О механизме хранения и выделения свободной памяти нам сейчас беспокоиться не за чем. Однако стоит знать, что последовательные запросы памяти не всегда приводят к выделению последовательных адресов памяти!
int *ptr1 = new int; int *ptr2 = new int; // ptr1 и ptr2 могут не иметь последовательных адресов
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, это 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 приложение не завершит своё выполнение (в этот момент ОС должна вернуть память обратно).
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 , или классов.
Стек вызовов
Стек вызовов (или просто «стек ») имеет гораздо более интересную роль. Стек вызовов отслеживает все активные функции (те, которые были вызваны, но еще 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.
Структура данных «Стек»
Структура данных - это механизм в программировании для организации данных, чтобы они могли эффективно использоваться. Вы уже видели несколько типов структур данных, таких как массивы и структуры. Они обеспечивают механизмы для эффективного хранения данных и доступа к ним. Существует еще много дополнительных структур данных, которые обычно используются в программировании, некоторые из которых реализованы в стандартной библиотеке C++, и «Стек» является одним из таких.
Рассмотрим стопку (стек) тарелок на столе. Поскольку каждая тарелка тяжелая и они сложены (друг на друге), то вы можете сделать только одну из следующих трех вещей:
Посмотреть на поверхность верхней тарелки.
Взять верхнюю тарелку из стопки (открывая таким образом следующую, которая находится снизу – если она вообще есть).
Положить новую тарелку поверх стопки (спрятав под ней самую верхнюю тарелку — если она 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 »), то стек более ограничен. Операции, которые могут выполняться в стеке, соответствуют трем перечисленным выше. В стеке вы можете :
Посмотреть на верхний элемент в стеке (используется функция top () или peek () ).
Вытянуть верхний элемент стека (используется функция pop () ).
Добавить новый элемент на вершину стека (используется функция push () ).
Стек – это структура типа LIFO (Last In, First Out – последним пришёл, первым ушёл). Последний элемент, помещенный на вершину стека, будет первым, который и выйдет из стека. Если вы положите новую тарелку поверх стопки других тарелок, то она будет первой, которую вы потом возьмете. По мере того, как элементы помещаются в стек — стек растет, по мере того, как элементы удаляются со стека – стек уменьшается.
Например, рассмотрим короткую 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 гвоздем 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. В начале 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), и 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 маркера — находится в стеке. Всё, что находится в ящике с наклейкой и выше – не находится в стеке.
Сегмент стека вызовов
Сегмент стека вызовов содержит память, используемую для стека вызовов. При запуске приложения, 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 в стеке, 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, где находится вершина 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 создается 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.
Аргументов функции.
Памяти для локальных переменных.
Сохраненных 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 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 .
Пример стека вызовов
Рассмотрим следующий фрагмент кода:
Стек вызовов этой программы выглядит следующим образом:
boo() (включая параметр b)
main()
Переполнение стека
Стек имеет ограниченный размер и, следовательно, может содержать только ограниченный объем информации. В Windows размер стека по умолчанию составляет 1 МБ. На некоторых других Unix-системах этот размер может достигать и 8 МБ. Если программа пытается поместить слишком много информации в стек, то это приведет к переполнению стека. Переполнение стека (stack overflow) происходит при запросе на память, в то время, когда вся память стека уже выделена — в этом случае все запросы на выделения начнут переливаться (переполняться) в другие разделы памяти.
Переполнение стека является результатом добавления слишком большого числа переменных в стек и/или создания слишком большого количества вложенных вызовов функций (например, где функция A вызывает функцию B, которая в свою очередь вызывает функцию C, а та вызывает функцию D и т.д. и т.п.). Переполнение стека обычно приводит к сбою в программе.
Например:
int main() { int stack; return 0; }
int main () int stack [ 100000000 ] ; return 0 ; |
Эта программа пытается добавить огромный массив в стек вызовов. Поскольку размера стека недостаточно для обработки такого массива, то его добавление переходит и на другие части памяти, которые программа использовать не может. Следовательно, получаем сбой.
Вот еще одна программа, которая вызовет переполнение стека, но уже по другой причине:
void boo() { boo(); } int main() { boo(); return 0; }
