2020年09月09日 | 计算机世界里的“堆栈”你真的懂吗？

2020-09-09 来源：EEWORLD

如果你学过数据结构，就一定会遇到“堆”,"栈","堆栈",这些对于小白来说有些头大，下面就来科普一下何谓堆栈？

按照WIKI的定义：

堆栈（英语：stack），是计算机科学中一种特殊的串列形式的抽象数据类型，其特殊之处在于只能允许在链表或数组的一端（称为堆栈顶端指针，英语：top）进行加入数据（英语：push）和输出数据（英语：pop）的运算。另外堆栈也可以用一维数组或链表的形式来完成。堆栈的另外一个相对的操作方式称为队列。需要记住的是，堆：顺序随意，栈：后进先出(Last-In/First-Out)。

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这里的pop和push到都是什么意思？其实这是堆栈数据结构使用两种基本操作：推入（压栈，push）和弹出（弹栈，pop）：

推入：将数据放入堆栈的顶端（数组形式或串列形式），堆栈顶端top指针加一。

弹出：将顶端数据数据输出（回传），堆栈顶端数据减一。

如要了解堆栈，应将之拆开分析。

堆的概念：

堆（英语：Heap）是计算机科学中的一种特别的树状数据结构。通常是一个可以被看做一棵树的数组对象。若是满足以下特性，即可称为堆：“给定堆中任意节点 P 和 C，若 P 是 C 的父节点，那么 P 的值会小于等于（或大于等于） C 的值”。若父节点的值恒小于等于子节点的值，此堆称为最小堆（英语：min heap）；反之，若父节点的值恒大于等于子节点的值，此堆称为最大堆（英语：max heap）。在堆中最顶端的那一个节点，称作根节点（英语：root node），根节点本身没有父节点（英语：parent node）。

栈的概念

栈（stack）又名堆栈，它是一种运算受限的线性表。其限制是仅允许在表的一端进行插入和删除运算。这一端被称为栈顶，相对地，把另一端称为栈底。栈就是一个桶，后放进去的先拿出来，它下面本来有的东西要等它出来之后才能出来（先进后出）

栈(Stack)是操作系统在建立某个进程时或者线程（在支持多线程的操作系统中是线程）为这个线程建立的存储区域，该区域具有FIFO的特性，在编译的时候可以指定需要的Stack的大小。

堆栈

其实堆栈本身就是栈，只是换了个抽象的名字。其特性是：最后一个放入堆栈中的物体总是被最先拿出来，这个特性通常称为后进先出(LIFO)队列。堆栈中定义了一些操作。两个最重要就是上述提到的PUSH和POP。PUSH操作在堆栈的顶部加入一个元素，POP操作相反，在堆栈顶部移去一个元素，并将堆栈的大小减一。

工作原理

对于工作方式你可能还是一头雾水，以自助餐托盘为例解释一下，你就会更加明了：

作为堆栈如何工作的一个例子，可以把它看成一个弹簧加载托盘分发器，这种类型经常在自助餐厅中发现。每个托盘上都刻有数字。托盘依次从顶部装入，每个托盘都放置在已经装入的托盘上，弹簧进行压缩，以便在必要时为更多托盘留出空间。例如，在图中，托盘编号为42、23、2、9，先装载42个托盘，后装载9个托盘。

[Figure 1.1]

最后一个托盘是9号。因此，“第一个出来”的盘子也是9号。当顾客从托盘堆的顶部取出托盘时，第一个托盘是9号，第二个托盘是2号。然后更多的托盘被添加。这些托盘将不得不在我们装载第一个托盘之前从堆栈上下来。在托盘堆的任意顺序的push和pop出之后，托盘42仍然在底部。只有在42号托盘从堆栈顶部弹出后，堆栈才会再次清空。

而堆栈通常被放置在机器的最上面的地址区域。它们通常从最高的内存位置增长到较低的内存位置，允许在程序内存末端和堆栈“顶部”之间的内存使用中获得最大的灵活性。在我们的讨论中，堆栈在内存中是“向上”增长还是“向下”增长基本上是不相关的。堆栈的“top”元素是最后被推入并将首先被弹出的元素。堆栈的“底部”元素在删除时将使堆栈为空。

二者区别

堆是在程序运行时，而不是在程序编译时，申请某个大小的内存空间。即动态分配内存，对其访问和对一般内存的访问没有区别。它由程序员分配和回收。

栈就是一个桶，后放进去的先拿出来，它下面本来有的东西要等它出来之后才能出来。（后进先出）由系统自动分配和回收。

堆栈缓存方式

栈使用的是一级缓存，他们通常都是被调用时处于存储空间中，调用完毕立即释放。

堆则是存放在二级缓存中，生命周期由虚拟机的垃圾回收算法来决定（并不是一旦成为孤儿对象就能被回收）。所以调用这些对象的速度要相对来得低一些。栈的优势是，存取速度比堆要快，仅次于直接位于CPU中的寄存器。

栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在 WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。

堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

作为“堆”的数据空间，必须是灵活的，因为成千上万的程序员在写什么程序是未知的。但可知道的一点，就是他们是跑在确定的某个OS里面的。因此，也不过就是给系统管理的数据空间起了个名字，叫栈；给程序员使用的空间，起了个名，叫堆。

堆栈 push pop

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