堆和栈、队列的概念和区别

数据结构:

堆,队列优先,先进先出(FIFO—first in first out)

堆通常是一个可以被看做一棵树的数组对象。堆总是满足下列性质:

(1)堆中某个节点的值总是不大于或不小于其父节点的值;

(2)堆总是一棵完全二叉树。

将根节点最大的堆叫做最大堆或大根堆,根节点最小的堆叫做最小堆或小根堆。常见的堆有二叉堆、斐波那契堆等

 

栈/堆栈

栈,先进后出(FILO—First-In/Last-Out)

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)

堆栈中定义了一些操作。 两个最重要的是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。

 

操作系统

 

管理方式

操作系统自动分配释放

程序员手动分配释放

空间大小

缓存方式

一级缓存

二级缓存

能否产生碎片

不能

生长方向

向下内存地址减小

向上内存地址增加

空间分配方式

动态+静态

动态

分配效率

数据结构

先进后出        

以被看成是一棵树

 

1.堆栈空间分配

 ①栈(操作系统):由操作系统自动分配释放 ,存放函数的参数值,局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。1.堆栈空间分配

 ②堆(操作系统): 一般由程序员分配释放, 若程序员不释放,程序结束时可能由OS回收,分配方式倒是类似于链表。

 

2.堆栈缓存方式

①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。

②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慢要相对来得低一些。

 

3.堆栈数据结构区别

①堆(数据结构):堆可以被看成是一棵树,如:堆排序。

②栈(数据结构):一种先进后出的数据结构。

 

主要的区别由以下几点:
    1、管理方式不同;
    2、空间大小不同;
    3、能否产生碎片不同;
    4、生长方向不同;
    5、分配方式不同;
    6、分配效率不同;
    

管理方式:

栈自动 堆手动

对于栈来讲,是由编译器自动管理,无需我们手工控制;对于堆来说,释放工作由程序员控制,容易产生memory leak。
    

空间大小:

栈小 堆大

一般来讲在32位系统下,堆内存可以达到4G的空间,从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲,一般都是有一定的空间大小的,例如,在VC6下面,默认的栈空间大小是1M(好像是,记不清楚了)。当然,我们可以修改:    
    打开工程,依次操作菜单如下:Project->Setting->Link,在Category 中选中Output,然后在Reserve中设定堆栈的最大值和commit。
注意:reserve最小值为4Byte;commit是保留在虚拟内存的页文件里面,它设置的较大会使栈开辟较大的值,可能增加内存的开销和启动时间。
    

碎 片问题:

栈 无碎片  堆 有碎片

对于堆来讲,频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续,从而造成大量的碎片,使程序效率降低。对于栈来讲,则不会存在这个问题,因 为栈是先进后出的队列,他们是如此的一一对应,以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出,在他弹出之前,在他上面的后进的栈内容已经被弹出,详细的可 以参考数据结构,这里我们就不再一一讨论了。
    

生长方向:

栈向下内存地址减小 堆向上内存地址增加

对于堆来讲,生长方向是向上的,也就是向着内存地址增加的方向;对于栈来讲,它的生长方向是向下的,是向着内存地址减小的方向增长。
    

分配方式:

栈有动态+静态 编译器  堆 动态 手动

堆都是动态分配的,没有静态分配的堆。栈有2种分配方式:静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的,比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配,但是栈的动态分配和堆是不同的,他的动态分配是由编译器进行释放,无需我们手工实现。
    

分配效率:

栈 高 堆 低

栈是机器系统提供的数据结构,计算机会在底层对栈提供支持:分配专门的寄存器存放栈的地址,压栈出栈都有专门的指令执行,这就决定了栈的效率比较 高。堆则是C/C++函数库提供的,它的机制是很复杂的,例如为了分配一块内存,库函数会按照一定的算法(具体的算法可以参考数据结构/操作系统)在堆内 存中搜索可用的足够大小的空间,如果没有足够大小的空间(可能是由于内存碎片太多),就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间,这样就有机会分到 足够大小的内存,然后进行返回。显然,堆的效率比栈要低得多。
    

    从这里我们可以看到,堆和栈相比,由于大量new/delete的使用,容 易造成大量的内存碎片;由于没有专门的系统支持,效率很低;由于可能引发用户态和核心态的切换,内存的申请,代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最广 泛的,就算是函数的调用也利用栈去完成,函数调用过程中的参数,返回地址,EBP和局部变量都采用栈的方式存放。所以,我们推荐大家尽量用栈,而不是用 堆。
    虽然栈有如此众多的好处,但是由于和堆相比不是那么灵活,有时候分配大量的内存空间,还是用堆好一些。
    无论是堆还是 栈,都要防止越界现象的发生(除非你是故意使其越界),因为越界的结果要么是程序崩溃,要么是摧毁程序的堆、栈结构,产生以想不到的结果,就算是在你的程 序运行过程中,没有发生上面的问题,你还是要小心,说不定什么时候就崩掉,那时候debug可是相当困难的:)

 

队列

①队列是一种特殊的线性表,特殊之处在于它只允许在表的前端(front)进行删除操作,而在表的后端(rear)进行插入操作,和栈一样,队列是一种操作受限制的线性表。进行插入操作的端称为队尾,进行删除操作的端称为队头。

②队列中没有元素时,称为空队列。

③建立顺序队列结构必须为其静态分配或动态申请一片连续的存储空间,并设置两个指针进行管理。一个是队头指针front,它指向队头元素;另一个是队尾指针rear,它指向下一个入队元素的存储位置。

④队列采用的先进先出FIFO(first in first out),新元素(等待进入队列的元素)总是被插入到链表的尾部,而读取的时候总是从链表的头部开始读取。每次读取一个元素,释放一个元素。所谓的动态创建,动态释放。因而也不存在溢出等问题。由于链表由结构体间接而成,遍历也方便。(先进先出)

 

参考

https://www.cnblogs.com/mysticCoder/p/4921724.html

https://jingyan.baidu.com/article/6c67b1d6a09f9a2786bb1e4a.html

https://blog.csdn.net/pt666/article/details/70876410

你可能感兴趣的:(计算机理论与基础知识)