Для чего нужны стеки?
Jul 3, 2019 · 4 min read
Когда я узнал, что такое стек, мне стало интересно его практическое применение. Оказалось, что чаще всего эта структура используется для имплементации операции “Отмена” ( то есть, ⌘+ Z или Ctrl+ Z).
Чтобы понять, как это работает, разберемся с определением стека.
Что такое стек?
Стек — список элементов, который может быть изменён лишь с одной стороны, называющейся вершиной стека.
Представьте приспособление для раздачи тарелок, в котором тарелки стоят в стопке. Новые тарелки можно добавлять только поверх уже имеющихся, а брать можно лишь сверху. Таким образом, чем позже тарелку положат в стопку, тем раньше её оттуда возьмут. В рамках структур данных это называется LIFO-принципом (последним пришёл — первым ушёл).
Если использовать терминологию, то стек поддерживает операции добавления ( push) и удаления ( pop) элементов на его вершине.
Зачем использовать стек для отмены?
Потому что обычно мы хотим отменить последнее действие.
Стек позволяет добавлять элементы к его вершине и удалять тот элемент, который был последним.
Что произойдёт, если ни одно действие не будет отменено? Стек ведь станет огромным!
Верно. Если не удалять элементы из стека отмены, то есть не использовать операцию отмены, то он станет очень большим. Именно поэтому такие приложения, как Adobe Photoshop, с увеличением времени работы над файлом используют всё больше и больше оперативной памяти. Стек отмены хранит все действия, произведённые над файлом, в памяти до тех пор, пока вы не сохраните и не закроете файл.
Имплементация стека
Стек можно реализовать, используя либо связные списки, либо массивы. Я приведу пример реализации стека на обеих структурах на Python и расскажу о плюсах и минусах каждой.
Стек на связном списке:
Стек на массиве:
Что лучше?
В коде я указал сложность каждой из операций, используя “О” большое. Как видите, имплементации мало чем отличаются.
Однако есть некоторые нюансы, которые стоит учесть.
Массив
Это непрерывный блок памяти. Из-за этого при маленьком размере стека массив будет занимать лишнее место. Ещё один недостаток в том, что каждый раз при увеличении размера массива придётся копировать все уже существующие элементы в новую ячейку памяти.
Связный список
Он состоит из отдельных блоков в памяти и может увеличиваться бесконечно. Поэтому, с одной стороны, имплементация стека с использованием этой структуры немного лучше с точки зрения сложности алгоритма. С другой стороны, каждый элемент должен хранить адреса предыдущего и следующего элемента, что требует больше памяти.
Заключение
Так как динамический массив увеличивается в два раза при заполнении очереди, необходимость выделить дополнительную память будет возникать всё реже и реже. Кроме того, так как указатели не занимают много места, дополнительные данные в связных списках не критичны.
Как видим, между этими двумя реализациями стека практически нет различий — используйте ту, что нравится вам.
Стек в программировании что это
Стек (от англ. stack — стопка) — структура данных, представляющая из себя упорядоченный набор элементов, в которой добавление новых элементов и удаление существующих производится с одного конца, называемого вершиной стека. Притом первым из стека удаляется элемент, который был помещен туда последним, то есть в стеке реализуется стратегия «последним вошел — первым вышел» (last-in, first-out — LIFO). Примером стека в реальной жизни может являться стопка тарелок: когда мы хотим вытащить тарелку, мы должны снять все тарелки выше. Вернемся к описанию операций стека:
Реализации [ править ]
Для стека с [math]n[/math] элементами требуется [math]O(n)[/math] памяти, так как она нужна лишь для хранения самих элементов.
На массиве [ править ]
Перед реализацией стека выделим ключевые поля:
Каждую операцию над стеком можно легко реализовать несколькими строками кода:
На саморасширяющемся массиве [ править ]
Возможна реализация стека на динамическом массиве, в результате чего появляется существенное преимущество над обычной реализацией: при операции push мы никогда не сможем выйти за границы массива, тем самым избежим ошибки исполнения.
На списке [ править ]
Стек можно реализовать и на списке. Для этого необходимо создать список и операции работы стека на созданном списке. Ниже представлен пример реализации стека на односвязном списке. Стек будем «держать» за голову. Добавляться новые элементы посредством операции [math] \mathtt
Заведем конструктор вида ListItem(next : ListItem, data : T)
Урок №105. Стек и Куча
На этом уроке мы рассмотрим стек и кучу в языке C++.
Сегменты
Память, которую используют программы, состоит из нескольких частей — сегментов:
Сегмент кода (или «текстовый сегмент»), где находится скомпилированная программа. Обычно доступен только для чтения.
Сегмент bss (или «неинициализированный сегмент данных»), где хранятся глобальные и статические переменные, инициализированные нулем.
Сегмент данных (или «сегмент инициализированных данных»), где хранятся инициализированные глобальные и статические переменные.
Куча, откуда выделяются динамические переменные.
Стек вызовов, где хранятся параметры функции, локальные переменные и другая информация, связанная с функциями.
Сегмент кучи (или просто «куча») отслеживает память, используемую для динамического выделения. Мы уже немного поговорили о куче на уроке о динамическом выделении памяти в языке С++.
В языке C++ при использовании оператора new динамическая память выделяется из сегмента кучи самой программы:
Адрес выделяемой памяти передается обратно оператором new и затем он может быть сохранен в указателе. О механизме хранения и выделения свободной памяти нам сейчас беспокоиться незачем. Однако стоит знать, что последовательные запросы памяти не всегда приводят к выделению последовательных адресов памяти!
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, а 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 программа не завершит свое выполнение.
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 массивов, структур или классов.
Стек вызовов
Стек вызовов (или просто «стек») 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.
Стек как структура данных
Структура данных в программировании — это механизм организации данных для их эффективного использования. Вы уже видели несколько типов структур данных, например, массивы или структуры. Существует множество других структур данных, которые используются в программировании. Некоторые из них реализованы в Стандартной библиотеке C++, и стек как раз является одним из таковых.
Например, рассмотрим стопку (аналогия стеку) тарелок на столе. Поскольку каждая тарелка тяжелая, а они еще и сложены друг на друге, то вы можете сделать лишь что-то одно из следующего:
Посмотреть на поверхность первой тарелки (которая находится на самом верху).
Взять верхнюю тарелку из стопки (обнажая таким образом следующую тарелку, которая находится под верхней, если она вообще существует).
Положить новую тарелку поверх стопки (спрятав под ней самую верхнюю тарелку, если она вообще 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»), стек более ограничен.
В стеке вы можете:
Посмотреть на верхний элемент стека (используя функцию top() или peek() ).
Вытянуть верхний элемент стека (используя функцию pop() ).
Добавить новый элемент поверх стека (используя функцию push() ).
Стек — это структура данных типа LIFO (англ. «Last In, First Out» = «Последним пришел, первым ушел»). Последний элемент, который находится на вершине стека, первым и уйдет из него. Если положить новую тарелку поверх других тарелок, то именно эту тарелку вы первой и возьмете. По мере того, как элементы помещаются в стек — стек растет, по мере того, как элементы удаляются из 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 лучшая аналогия. 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. Вначале 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), а 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 наклейки — находится в стеке. Всё, что находится в ящике с наклейкой и выше — находится вне стека.
Сегмент стека вызовов
Сегмент стека вызовов содержит память, используемую для стека вызовов. При запуске программы, функция main() помещается в стек вызовов операционной системой. Затем программа начинает свое 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 или вытягиваем из стека, называются фреймами (или «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 вершину стека вызовов.
Единственное отличие фактического стека вызовов от нашего гипотетического стека почтовых ящиков заключается в том, что, когда мы вытягиваем элемент из стека вызовов, 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 находиться в стеке.
Стек вызовов на практике
Давайте рассмотрим детально, как работает стек вызовов. Ниже приведена последовательность шагов, выполняемых при вызове функции:
Программа сталкивается с вызовом функции.
Создается фрейм стека, который помещается в стек. Он состоит из:
адреса инструкции, который находится за вызовом функции (так называемый «обратный адрес»). Так процессор запоминает, куда ему возвращаться после выполнения функции;
памяти для локальных переменных;
сохраненных копий всех регистров, модифицированных функцией, которые необходимо будет восстановить после того, как функция завершит свое 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, которая была выделена для 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, дает основы, необходимые для понимания рекурсии, а также некоторых других концепций, которые полезны при отладке программ.
Для чего нужны стеки?
Когда я узнал, что такое стек, мне стало интересно его практическое применение. Оказалось, что чаще всего эта структура используется для имплементации операции “Отмена” ( то есть, ⌘+Z или Ctrl+Z).
Чтобы понять, как это работает, разберемся с определением стека.
Что такое стек?
Стек — список элементов, который может быть изменён лишь с одной стороны, называющейся вершиной стека.
Представьте приспособление для раздачи тарелок, в котором тарелки стоят в стопке. Новые тарелки можно добавлять только поверх уже имеющихся, а брать можно лишь сверху. Таким образом, чем позже тарелку положат в стопку, тем раньше её оттуда возьмут. В рамках структур данных это называется LIFO-принципом (последним пришёл — первым ушёл).
Если использовать терминологию, то стек поддерживает операции добавления (push) и удаления (pop) элементов на его вершине.
Зачем использовать стек для отмены?
Потому что обычно мы хотим отменить последнее действие.
Стек позволяет добавлять элементы к его вершине и удалять тот элемент, который был последним.
Что произойдёт, если ни одно действие не будет отменено? Стек ведь станет огромным!
Верно. Если не удалять элементы из стека отмены, то есть не использовать операцию отмены, то он станет очень большим. Именно поэтому такие приложения, как Adobe Photoshop, с увеличением времени работы над файлом используют всё больше и больше оперативной памяти. Стек отмены хранит все действия, произведённые над файлом, в памяти до тех пор, пока вы не сохраните и не закроете файл.
Имплементация стека
Стек можно реализовать, используя либо связные списки, либо массивы. Я приведу пример реализации стека на обеих структурах на Python и расскажу о плюсах и минусах каждой.
Стек на связном списке:
Стек на массиве:
Что лучше?
В коде я указал сложность каждой из операций, используя “О” большое. Как видите, имплементации мало чем отличаются.
Однако есть некоторые нюансы, которые стоит учесть.
Массив
Это непрерывный блок памяти. Из-за этого при маленьком размере стека массив будет занимать лишнее место. Ещё один недостаток в том, что каждый раз при увеличении размера массива придётся копировать все уже существующие элементы в новую ячейку памяти.
Связный список
Он состоит из отдельных блоков в памяти и может увеличиваться бесконечно. Поэтому, с одной стороны, имплементация стека с использованием этой структуры немного лучше с точки зрения сложности алгоритма. С другой стороны, каждый элемент должен хранить адреса предыдущего и следующего элемента, что требует больше памяти.
Заключение
Так как динамический массив увеличивается в два раза при заполнении очереди, необходимость выделить дополнительную память будет возникать всё реже и реже. Кроме того, так как указатели не занимают много места, дополнительные данные в связных списках не критичны.
Как видим, между этими двумя реализациями стека практически нет различий — используйте ту, что нравится вам.
Что такое стек
И почему так страшен стек-оверфлоу.
Постепенно осваиваем способы организации и хранения данных. Уже было про деревья, попробуем про стеки. Это для тех, кто хочет в будущем серьёзно работать в ИТ: одна из фундаментальных концепций, которая влияет на качество вашего кода, но не касается какого-то конкретного языка программирования.
👉 Стек — это одна из структур данных. Структура данных — это то, как хранятся данные: например, связанные списки, деревья, очереди, множества, хеш-таблицы, карты и даже кучи (heap).
Как устроен стек
Стек хранит последовательность данных. Связаны данные так: каждый элемент указывает на тот, который нужно использовать следующим. Это линейная связь — данные идут друг за другом и нужно брать их по очереди. Из середины стека брать нельзя.
👉 Главный принцип работы стека — данные, которые попали в стек недавно, используются первыми. Чем раньше попал — тем позже используется. После использования элемент стека исчезает, и верхним становится следующий элемент.
Классический способ объяснения принципов стека звучит так: представьте, что вы моете посуду и складываете одинаковые чистые тарелки стопкой друг на друга. Каждая новая тарелка — это элемент стека, а вы просто добавляете их по одной в стек.
Когда кому-то понадобится тарелка, он не будет брать её снизу или из середины — он возьмёт первую сверху, потом следующую и так далее.
🤔 Есть структура данных, похожая на стек, — называется очередь, или queue. Если в стеке кто последний пришёл, того первым заберут, то в очереди наоборот: кто раньше пришёл, тот раньше ушёл. Можно представить очередь в магазине: кто раньше её занял, тот первый дошёл до кассы. Очередь — это тоже линейный набор данных, но обрабатывается по-другому.
Стек вызовов
В программировании есть два вида стека — стек вызовов и стек данных.
Когда в программе есть подпрограммы — процедуры и функции, — то компьютеру нужно помнить, где он прервался в основном коде, чтобы выполнить подпрограмму. После выполнения он должен вернуться обратно и продолжить выполнять основной код. При этом если подпрограмма возвращает какие-то данные, то их тоже нужно запомнить и передать в основной код.
Чтобы это реализовать, компьютер использует стек вызовов — специальную область памяти, где хранит данные о точках перехода между фрагментами кода.
Допустим, у нас есть программа, внутри которой есть три функции, причём одна из них внутри вызывает другую. Нарисуем, чтобы было понятнее:
Программа запускается, потом идёт вызов синей функции. Она выполняется, и программа продолжает с того места, где остановилась. Потом выполняется зелёная функция, которая вызывает красную. Пока красная не закончит работу, все остальные ждут. Как только красная закончилась — продолжается зелёная, а после её окончания программа продолжает свою работу с того же места.
А вот как стек помогает это реализовать на практике:
Программа дошла до синей функции, сохранила точку, куда ей вернуться после того, как закончится функция, и если функция вернёт какие-то данные, то программа тоже их получит. Когда синяя функция закончится и программа получит верхний элемент стека, он автоматически исчезнет. Стек снова пустой.
С зелёной функцией всё то же самое — в стек заносится точка возврата, и программа начинает выполнять зелёную функцию. Но внутри неё мы вызываем красную, и вот что происходит:
При вызове красной функции в стек помещается новый элемент с информацией о данных, точке возврата и указанием на следующий элемент. Это значит, что когда красная функция закончит работу, то компьютер возьмёт из стека адрес возврата и вернёт управление снова зелёной функции, а красный элемент исчезнет. Когда и зелёная закончит работу, то компьютер из стека возьмёт новый адрес возврата и продолжит работу со старого места.
Переполнение стека
Почти всегда стек вызовов хранится в оперативной памяти и имеет определённый размер. Если у вас будет много вложенных вызовов или рекурсия с очень большой глубиной вложенности, то может случиться такая ситуация:
Переполнение — это плохо: данные могут залезать в чужую область памяти и записывать себя вместо прежних данных. Это может привести к сбою в работе других программ или самого компьютера. Ещё таким образом можно внедрить в оперативную память вредоносный код: если программа плохо работает со стеком, можно специально вызвать переполнение и записать в память что-нибудь вредоносное.
Стек данных
Стек данных очень похож на стек вызовов: по сути, это одна большая переменная, похожая на список или массив. Его чаще всего используют для работы с другими сложными типами данных: например, быстрого обхода деревьев, поиска всех возможных маршрутов по графу, — и для анализа разветвлённых однотипных данных.
Стек данных работает по такому же принципу, как и стек вызовов — элемент, который добавили последним, должен использоваться первым.
Что дальше
А дальше поговорим про тип данных под названием «куча». Да, такой есть, и с ним тоже можно эффективно работать. Стей тюнед.