堆、栈、队列之于数据结构、操作系统、C和Java

堆、栈、队列之于数据结构、操作系统、C和Java

到底有几个概念？

首先，堆和栈是两个数据结构上的概念，有时候说堆栈指的是栈，英文定义更明确，heap是堆，stack是栈。
其次，堆和栈也指(操作系统/单片机的)内存模型，更多的叫做堆区和栈区。
此外，本将简单讲讲在不同的编程语言中，如何实现或使用这些数据结构。

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数据结构中的堆和栈

数据结构是计算机存储、组织数据的方式。数据结构是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。

堆(Heap)

堆是一种特殊的树形数据结构，堆通常是一个可以被看做一棵完全二叉树的数组对象。
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。
从完全二叉树生成堆，使用筛选法建堆的时间复杂度O(n)，插入结点、删除普通元素和删除最小元素的时间复杂度O(logn)。

栈(Stack)

栈是一种只能在一端（栈顶）进行插入和删除操作的特殊线性表，另一端叫栈底，无法操作。最明显特点是后进先出，即LIFO（Last-In-First-Out）。类似于生活中的桶，放进去的东西总在顶端，也只能从顶端拿东西。
栈的应用：递归。当我们在算法设计时说要用栈解决某个问题，那么通常就准备要写递归函数了。

队列(queue)

说到栈自然就不得不说到队列。
队列是一种先进先出（FIFO）的线性表。

线性表(linear list)

之前两次提到了线性表，那么什么是线性表？
一个线性表是n个具有相同特性的数据元素的有限序列。栈和队列都属于线性表。
线性表包括顺序表和链式表，顺序表通常用数组实现，链式表自然是用链表实现。

因此，栈的实现自然也分为数组实现的顺序栈和链表实现链式栈。
队列也可以分为数组队列和链表队列。数组队列一般实现为循环队列，也就是head和tail指向数组中的队列首尾位置。

链表(linked list)

链表是一种物理存储单元上非连续、非顺序的存储结构，数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接次序实现的。
每个数据元素通常叫做一个节点。
单链表就是链式存储的线性表，他是链表中的一种，此类链表的每个结点中只包含一个指针域，故又称单链表或线性链表。
其他链表，例如用来实现二叉树的二叉链表(二叉树可以是基于数组，也可以是基于链表）
数据结构中的树和图，也可以通过非线性的链表实现。
所以有的资料里面把链表等同于线性表中的一种是不够精确的，链表的概念远不止单链表

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操作系统中的堆区和栈区

栈区：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。
堆区： 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（操作系统）回收，分配方式倒是类似于链表。

栈区使用的是一级缓存， 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。
堆区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。

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程序占用内存中的堆区和栈区

C/C++中的堆区和栈区

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分
1、栈区（stack）— 由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数名，局部变量的名等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2、堆区（heap）— 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。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。
3、静态区（static）— 全局变量和局部静态变量的存储是放在一块的。程序结束后由系统释放。
4、文字常量区 — 常量字符串就是放在这里的，程序结束后由系统释放 。
5、程序代码区 — 存放函数体的二进制代码。
你会发现，c/c++中对于堆区和栈区的概念定义是一样的。这是因为现存的绝大多数操作系统的核心都是基于c/c++写的(通常会在加上一些汇编)。不论是Unix，linux，还是windows，底层主要都是C，而Android是基于linux的，iOS和MacOS都是类Unix操作系统，底层也是C。
c/c++内存分配例子如下：

//main.cpp
int a = 0; //全局初始化区
int a = 0; //全局初始化区
char *p1; //全局未初始化区
main() {
    int b; //栈
    char s[] = "abc"; //栈
    char *p2; //栈
    char *p3 = "123456"; //123456\0在常量区，p3在栈上。
    static int c = 0; //全局（静态）初始化区
    p1 = (char *)malloc(10);//堆区
    p2 = (char *)malloc(20);//堆区
    //分配得来得10和20字节的区域就在堆区。
    strcpy(p1, "123456"); //123456\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。
}

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Java中的堆区和栈区

栈(stack)与堆(heap)都是Java用来在Ram中存放数据的地方。
与C++不同，Java自动管理栈区和堆区，程序员不能直接地设置栈或堆。Java的垃圾收集器会自动回收堆区的数据，程序员不用操心。

Java的数据分为基本类型(primitivetypes)，共有8种，即int,short, long, byte, float, double, boolean, char，都保存在栈中。
剩下的都是包装类数据，包括String，Integer，Double，其他类，这些数据全都存在于堆中。（String不是基础类，任何String的变量都是一个String对象的引用，当修改值的时候实际上是指向了一个新的引用。）

Java的JVM（例如最常用的OpenJDK和OracleJDK），是C/C++和汇编混写的，所以最终Java的数据是通过JVM来到底层操作系统上的栈区和堆区。

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其他语言中的堆区和栈区

由于C语言是很多语言的基础，所以他们也对应的有堆区和栈区的概念，并且要么是类似C的，要么是类似Java的方式。

这是因为C语言被誉为“上帝语言”，它不但奠定了软件产业的基础，还创造了很多其它语言，例如：
1).C++ 和 Objective-C 直接在C语言的基础上进行扩展，增加一些新功能后变成了新的语言。
2).PHP、Python 、JavaScript、Lua等都是用C语言（或者c/c++）开发出来的。

比如Python，他的堆区和栈区和Java就很像：
栈区：存储运行方法的形参、局部变量、返回值。由系统自动分配和回收。
堆区：new一个对象的引用或地址存储在栈区，指向该对象存储在堆区中的真实数据。

再比如JavaScript，他的堆区和栈区定义和Java也很像：
栈（stack）中主要存放一些基本类型的变量和对象的引用，(包含池，池存放常量),其优势是存取速度比堆要快，并且栈内的数据可以共享，但缺点是存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的，缺乏灵活性；
堆（heap）用于复杂数据类型（引用类型）分配空间，例如数组对象、object对象；它是运行时动态分配内存的，因此存取速度较慢。

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编程中的使用

C/C++

所有c的代码，都可以在c/c++编程中使用，但是推荐使用c++的STL中自带的容器，绝大多数情况下比自己实现的要更加稳定高效。
c++STL容器相关文档：
可参考c++容器库(cppreference.com版本)
或者是c++容器库(apiref.com版本)

C优先队列——堆(heap)

csdn: 优先队列(堆) - C语言实现

C++优先队列(堆)

堆是一种特殊的树形数据结构，堆通常是一个可以被看做一棵完全二叉树的数组对象。

#include 				//头文件
priority_queue q;			//声明
q.empty();	q.size();	q.top();
q.push();		//入队
q.pop();		//出队，此时出的是最大或者最小元素，默认是最大。

priority_queue, greater > q;   //这种默认是优先出最小元素。（greater就是越来越大的意思）

此外还可以自定义判断大小的函数，来改变队列顺序，稍后另写一篇。
一般用来做一些刚好有需要的特殊算法，例如游戏开发中的A*寻路，可以用优先队列优化。
csdn: C++之优化队列（详解篇）

C语言使用栈(stack)

栈的应用十分广泛 ，在函数调用、中断处理、表达式求值、内存分配等操作中都需要用到栈。
基本数据结构 – 栈简介（C语言实现）
c语言栈的实现以及操作

C++栈(stack)

头文件#include 。基于双队列deque实现。
使用如下:

stack stk;//声明
stk.empty();  stk.size();  stk.top();
stk.push(); 	    //放入
stk.pop();  	    //取出
stk.swap(); 	    //交换[c++11]

使用参考：C++中stack详解

虽然deque有迭代器Iterator，但是c++的stack非常严格，不允许遍历。
想做一个可以遍历的栈，可以考虑使用vector数组，一般使用的时候，只使用push_back和back()。

栈的用法——递归

递归函数的每一层，都相当于push压栈一层，函数中定义的相关参数就在这个栈上。当函数向外退出时，就相当于pop出栈一层，当时申请的相关参数也就随之pop释放掉了。当调用层数太多的时候，分配的栈空间不够用，产生堆栈溢出，将导致程序线程退出。这时候可以减少栈中的变量，或是对某些递归函数做尾递归优化，减少栈溢出的概率。

C语言队列

常见的以单链表形式实现。（单链队列使用链表作为基本数据结果，因此不存在伪溢出的问题，队列长度也没有限制。但插入和读取的时间代价会比较高）
网上例子很多，可以参考这些：
简书 C语言队列(文章还行，但是front写成font了)
知乎 C语言实现队列

C++队列(queue)

头文件#include
使用

queue q;//声明
q.empty();   q.size(); 
q.front()               //返回队首元素的值，但不删除该元素
q.back()                //返回队列尾元素的值，但不删除该元素
q.push()                //在队尾压入新元素
q.pop()                // 删除队列首元素但不返回其值
q.swap();				//交换[c++11]

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Java中的相关数据结构使用

Java优先队列()——堆

优先队列PriorityQueue是基于Queue接口的实现。

import java.util.PriorityQueue;
Queue<Integer> q = new PriorityQueue<>();//默认升序，从小到大，
Queue<Integer> qq = new PriorityQueue<>(cmp);//使用比较器，可以从大到小，
q.peek();//返回队首元素
q.poll();//返回队首元素，队首元素出队列
q.add();//添加元素
q.offer();//添加元素
q.size();//返回队列元素个数
q.isEmpty();//判断队列是否为空，为空返回true,不空返回false

比较器例子

static Comparator<Integer> cmp = new Comparator<Integer>() {
  public int compare(Integer e1, Integer e2) {
    return e2 - e1;
  }
};

可参考：
Java的优先队列PriorityQueue详解
JAVA中PRIORITYQUEUE详解

Java栈Stack

java工具包中的Stack是继承于Vector(数组)实现的，不是链表。

import java.util.Stack;
Stack stack = new Stack();
stack.empty();
stack.push();
stack.pop();
stack.search();			//查找obj在stack中的位置
stack.peek();			//获取栈顶元素

参考资料java之Stack详细介绍

由于底层是数组，可以很容易的遍历。可以通过get函数，或者是迭代器(Iterator)。

Java队列Queue

import java.util.Queue;		//引入
Queue<String> queue = new LinkedList<String>();	//创建
queue.offer("a");	//添加，超过队列长度限制返回false。【推荐使用】
queue.add("b");		//添加，超过队列长度限制报异常unchecked 。
queue.put("c");		//添加，超长则阻塞等待到有空间为止。
queue.poll();		//返回队首元素并删除，无元素返回null。【推荐使用】
queue.remove();		//返回队首元素并删除，无元素报异常
queue.peek();		//返回队首元素，无元素返回null。【推荐使用】
queue.element();	//返回队首元素，无元素报异常
queue.take();		//返回队首元素，无元素则阻塞等待到有元素位置。
for(String q : queue){System.out.println(q);}	//遍历

可参考java队列——queue详细分析

java默认支持对queue的遍历，但是c++并不支持。
c++想要遍历队列，需要自己做循环，pop的同时push。

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参考资料

维基百科：编程语言历史
百度：数据结构
百科：堆 （数据结构）
百科：栈 （计算机术语）
百科：队列
百科：线性表
百科：二叉链表
csdn: 关于堆栈的讲解(我见过的最经典的) （这篇主要讲操作系统里的）
csdn: 浅谈堆、栈、堆区、栈区的概念和区别
cnblogs：线性表，线性表和链表的区别
csdn: 主流操作系统的开发语言
csdn: C语言是一个什么样的语言
csdn: Python内存管理中的堆和栈以及id，is，== 的区别和使用
csdn: Js中的堆区，栈区
cnblogs: c++容器的底层数据结构