Основные принципы программирования: стек и куча. Структуры данных: общее понятие, реализация. Простейшие структуры данных: очередь, стек. Использование стека и обратная польская запись

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.

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.

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; }

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; }

Стек является общей структурой данных для представления данных, которые должны обрабатываться в определенном порядке. Например, когда функция вызывает другую функцию, которая, в свою очередь, вызывает третью функцию, важно, чтобы третья функция вернулась на вторую функцию, а не первую.

Один из способов реализации такого порядка обработки данных — это организовать своего рода очередь вызовов функций. Последняя добавленная в стек функция, будет завершена первой и наоборот, первая добавленная в стек функция будет завершена последней. Таким образом, сама структура данных обеспечивает надлежащий порядок вызовов.

Концептуально, структура данных — стек очень проста: она позволяет добавлять или удалять элементы в определенном порядке. Каждый раз, когда добавляется элемент, он попадает на вершину стека, единственный элемент, который может быть удален из стека — элемент, который находится на вершине стека. Таким образом, стек, как принято говорить, «первым пришел, последним ушел — FILO» или «последним пришел, первым ушел — LIFO». Первый элемент, добавленный в стек будет удален из него в последнюю очередь.

Так в чем же дело? Зачем нам нужны стеки? Как мы уже говорили, стеки — удобный способ организации вызовов функций. В самом деле, «стек вызовов» это термин, который часто используют для обозначения списка функций, которые сейчас либо выполняются, либо находятся в режиме ожидания возвращаемого значения других функций.

В некотором смысле, стеки являются частью фундаментального языка информатики. Когда вы хотите реализовать очередь типа — «первый пришел, последним ушел», то имеет смысл говорить о стеках с использованием общей терминологии. Кроме того, такие очереди участвуют во многих процессах, начиная от теоретических компьютерных наук, например функции push-down и многое другое.

Стеки имеют некоторые ассоциируемые методы:

• Push — добавить элемент в стек;
• Pop — удалить элемент из стека;
• Peek — просмотреть элементы стека;
• LIFO — поведение стека,
• FILO Equivalent to LIFO

Этот стек был реализован с шаблонами, чтобы его можно было использовать практически для любых типов данных. Причем размер стека определяется динамически, во время выполнения программы. В стек добавлена также дополнительная функция: peek() , которая показывает n-й элемент от вершины стека.