Программный стек. Основные принципы программирования: стек и куча

(англ. last in - first out , «последним пришёл - первым вышел»).

Чаще всего принцип работы стека сравнивают со стопкой тарелок: чтобы взять вторую сверху, нужно снять верхнюю.

В некоторых языках (например, Lisp , Python ) стеком можно назвать любой список, так как для них доступны операции pop и push. В языке C++ стандартная библиотека имеет класс с реализованной структурой и методами . И т. д.

Программный стек

Организация в памяти

Зачастую стек реализуется в виде однонаправленного списка (каждый элемент в списке содержит помимо хранимой информации в стеке указатель на следующий элемент стека).

Но также часто стек располагается в одномерном массиве с упорядоченными адресами. Такая организация стека удобна, если элемент информации занимает в памяти фиксированное количество слов, например, 1 слово. При этом отпадает необходимость хранения в элементе стека явного указателя на следующий элемент стека, что экономит память. При этом указатель стека (Stack Pointer , - SP ) обычно является регистром процессора и указывает на адрес головы стека.

Предположим для примера, что голова стека расположена по меньшему адресу, следующие элементы располагаются по нарастающим адресам. При каждом вталкивании слова в стек, SP сначала уменьшается на 1 и затем по адресу из SP производится запись в память. При каждом извлечении слова из стека (выталкивании) сначала производится чтение по текущему адресу из SP и последующее увеличение содержимого SP на 1.

При организации стека в виде однонаправленного списка значением переменной стека является указатель на его вершину - адрес вершины. Если стек пуст, то значение указателя равно NULL.

Пример реализации стека на языке С:

struct stack { char * data ; struct stack * next ; };

Операции со стеком

Возможны три операции со стеком: добавление элемента (иначе проталкивание, push ), удаление элемента (pop ) и чтение головного элемента (peek ) .

При проталкивании (push ) добавляется новый элемент, указывающий на элемент, бывший до этого головой. Новый элемент теперь становится головным.

При удалении элемента (pop ) убирается первый, а головным становится тот, на который был указатель у этого объекта (следующий элемент). При этом значение убранного элемента возвращается.

void push ( STACK * ps , int x ) // Добавление в стек нового элемента { if ( ps -> size == STACKSIZE ) // Не переполнен ли стек? { fputs ( "Error: stack overflow \n " , stderr ); abort (); } else { ps -> items [ ps -> size ++ ] = x ; } } int pop ( STACK * ps ) // Удаление из стека { if ( ps -> size == 0 ) // Не опустел ли стек? { fputs ( "Error: stack underflow \n " , stderr ); abort (); } else { return ps -> items [ -- ps -> size ]; } }

Область применения

Программный вид стека используется для обхода структур данных , например, дерево или граф . При использовании рекурсивных функций также будет применяться стек, но аппаратный его вид. Кроме этих назначений, стек используется для организации стековой машины , реализующей вычисления в обратной польской записи .

Для отслеживания точек возврата из подпрограмм используется стек вызовов.

Идея стека используется в стековой машине среди стековых языков программирования .

Применение стека упрощает и ускоряет работу программы, так как идет обращение к нескольким данным по одному адресу.

Аппаратный стек

До использования стека он должен быть инициализирован так, чтобы регистры SS:ESP указывали на адрес головы стека в области физической оперативной памяти, причём под хранение данных в стеке необходимо зарезервировать нужное количество ячеек памяти (очевидно, что стек в ПЗУ , естественно, не может быть организован). Прикладные программы, как правило, от операционной системы получают готовый к употреблению стек. В защищённом режиме работы процессора сегмент состояния задачи содержит четыре селектора сегментов стека (для разных уровней привилегий), но в каждый момент используется только один стек .

Примечания

1. Машина Тьюринга: Введение (неопр.) . Проверено 12 февраля 2013.

Теги: Стек, стек на си, реализация стека, стек на массиве, динамически растущий стек, стек на односвязном сиске

Стек

С тек – наверное, самая простая структура данных, которую мы будем изучать и которой будем постоянно пользоваться. Стек – это структура данных, в которой элементы поддерживают принцип LIFO (“Last in – first out”): последним зашёл – первым вышел. Или первым зашёл – последним вышел.

Стек позволяет хранить элементы и поддерживает, обычно, две базовые операции:

• PUSH – кладёт элемент на вершину стека
• POP – снимает элемент с вершины стека, перемещая вершину к следующему элементу

Также часто встречается операция PEEK, которая получает элемент на вершине стека, но не снимает его оттуда.

Стек является одной из базовых структур данных и используется не только в программировании, но и в схемотехнике, и просто в производстве, для реализации технологических процессов и т.д.; стек используется в качестве вспомогательной структуры данных во многих алгоритмах и в других более сложных структурах.

Пусть, например, у нас есть стек чисел. Выполним несколько команд. Изначально стек пуст. Вершина стека – указатель на первый элемент, никуда не указывает. В случае си она может быть равна NULL.

Теперь стек состоит из одного элемента, числа 3. Вершина стека указывает на число 3.

Стек состоит из двух элементов, 5 и 3, при этом вершина стека указывает на 5.

Стек состоит из трёх элементов, вершина стека указывает на 7.

Вернёт значение 7, в стеке останется 5 и 3. Вершина будет указывать на следующий элемент – 5.

Вернёт 5, в стеке останется всего один элемент, 3, на который будет указывать вершина стека.

Вернёт 3, стек станет пуст.

Часто сравнивают стек со стопкой тарелок. Чтобы достать следующую тарелку, необходимо снять предыдущие. Вершина стека – это вершина стопки тарелок.

Когда мы будем работать со стеком, возможны две основные и часто встречающиеся ошибки:

• 1. Stack Underflow: Попытка снять элемент с пустого стека
• 2. Stack Overflow: Попытка положить новый элемент на стек, который не может больше расти (например, не хватает оперативной памяти)

Программная реализация

Р ассмотрим три простые реализации стека:

Стек фиксированного размера, построенный на массиве

О тличительная особенность – простота реализации и максимальная скорость выполнения. Такой стек может применяться в том, случае, когда его максимальный размер известен заранее или известно, что он мал.

Сначала определяем максимальный размер массива и тип данных, которые будут в нём храниться:

#define STACK_MAX_SIZE 20 typedef int T;

Теперь сама структура

Typedef struct Stack_tag { T data; size_t size; } Stack_t;

Здесь переменная size – это количество элементов, и вместе с тем указатель на вершину стека. Вершина будет указывать на следующий элемент массива, в который будет занесено значение.

Кладём новый элемент на стек.

Void push(Stack_t *stack, const T value) { stack->data = value; stack->size++; }

Единственная проблема – можно выйти за пределы массива. Поэтому всегда надо проверять, чтобы не было ошибки Stack overflow:

#define STACK_OVERFLOW -100 #define STACK_UNDERFLOW -101 void push(Stack_t *stack, const T value) { if (stack->size >= STACK_MAX_SIZE) { exit(STACK_OVERFLOW); } stack->data = value; stack->size++; }

Аналогично, определим операцию Pop, которая возвращает элемент с вершины и переходит к следующему

T pop(Stack_t *stack) { if (stack->size == 0) { exit(STACK_UNDERFLOW); } stack->size--; return stack->data; }

И функция peek, возвращающая текущий элемент с вершины

T peek(const Stack_t *stack) { if (stack->size <= 0) { exit(STACK_UNDERFLOW); } return stack->data; }

Ещё одно важное замечание – у нас нет функции создания стека, поэтому необходимо вручную обнулять значение size

Вспомогательные функции для печати элементов стека

Void printStackValue(const T value) { printf("%d", value); } void printStack(const Stack_t *stack, void (*printStackValue)(const T)) { int i; int len = stack->size - 1; printf("stack %d > ", stack->size); for (i = 0; i < len; i++) { printStackValue(stack->data[i]); printf(" | "); } if (stack->size != 0) { printStackValue(stack->data[i]); } printf("\n"); }

Заметьте, что в функции печати мы использует int, а не size_t, потому что значение len может стать отрицательным. Функция печатает сначала размер стека, а потом его содержимое, разделяя элементы символом |

Проверка

Stack_t stack; stack.size = 0; push(&stack, 3); printStack(&stack, printStackValue); push(&stack, 5); printStack(&stack, printStackValue); push(&stack, 7); printStack(&stack, printStackValue); printf("%d\n", pop(&stack)); printStack(&stack, printStackValue); printf("%d\n", pop(&stack)); printStack(&stack, printStackValue); printf("%d\n", pop(&stack)); printStack(&stack, printStackValue); _getch();

Рассмотрим также ситуации, когда есть ошибки использования. Underflow

Void main() { Stack_t stack; stack.size = 0; push(&stack, 3); pop(&stack); pop(&stack); _getch(); }

Void main() { Stack_t stack; size_t i; stack.size = 0; for (i = 0; i < 100; i++) { push(&stack, i); } _getch(); }

Динамически растущий стек на массиве

Д инамически растущий стек используется в том случае, когда число элементов может быть значительным и не известно на момент решения задачи. Максимальный размер стека может быть ограничен каким-то числом, либо размером оперативной памяти.

Стек будет состоять из указателя на данные, размера массива (максимального), и числа элементов в массиве. Это число также будет и указывать на вершину.

Typedef struct Stack_tag { T *data; size_t size; size_t top; } Stack_t;

Для начала понадобится некоторый начальный размер массива, пусть он будет равен 10

#define INIT_SIZE 10

Алгоритм работы такой: мы проверяем, не превысило ли значение top значение size. Если значение превышено, то увеличиваем размер массива. Здесь возможно несколько вариантов того, как увеличивать массив. Можно прибавлять число, можно умножать на какое-то значение. Какой из вариантов лучше, зависит от специфики задачи. В нашем случае будем умножать размер на число MULTIPLIER

#define MULTIPLIER 2

Максимального размера задавать не будем. Программа будет выпадать при stack overflow или stack underflow. Будем реализовывать тот же интерфейс (pop, push, peek). Кроме того, так как массив динамический, сделаем некоторые вспомогательные функции, чтобы создавать стек, удалять его и чистить.

Во-первых, функции для создания и удаления стека и несколько ошибок

#define STACK_OVERFLOW -100 #define STACK_UNDERFLOW -101 #define OUT_OF_MEMORY -102 Stack_t* createStack() { Stack_t *out = NULL; out = malloc(sizeof(Stack_t)); if (out == NULL) { exit(OUT_OF_MEMORY); } out->size = INIT_SIZE; out->data = malloc(out->size * sizeof(T)); if (out->data == NULL) { free(out); exit(OUT_OF_MEMORY); } out->top = 0; return out; } void deleteStack(Stack_t **stack) { free((*stack)->data); free(*stack); *stack = NULL; }

Всё крайне просто и понятно, нет никаких подвохов. Создаём стек с начальной длиной и обнуляем значения.

Теперь напишем вспомогательную функцию изменения размера.

Void resize(Stack_t *stack) { stack->size *= MULTIPLIER; stack->data = realloc(stack->data, stack->size * sizeof(T)); if (stack->data == NULL) { exit(STACK_OVERFLOW); } }

Здесь, заметим, в случае, если не удалось выделить достаточно памяти, будет произведён выход с STACK_OVERFLOW.

Функция push проверяет, вышли ли мы за пределы массива. Если да, то увеличиваем его размер

Void push(Stack_t *stack, T value) { if (stack->top >= stack->size) { resize(stack); } stack->data = value; stack->top++; }

Функции pop и peek аналогичны тем, которые использовались для массива фиксированного размера

T pop(Stack_t *stack) { if (stack->top == 0) { exit(STACK_UNDERFLOW); } stack->top--; return stack->data; } T peek(const Stack_t *stack) { if (stack->top <= 0) { exit(STACK_UNDERFLOW); } return stack->data; }

Проверим

Void main() { int i; Stack_t *s = createStack(); for (i = 0; i < 300; i++) { push(s, i); } for (i = 0; i < 300; i++) { printf("%d ", peek(s)); printf("%d ", pop(s)); } deleteStack(&s); _getch(); }

Напишем ещё одну функцию, implode, которая уменьшает массив до размера, равного числу элементов в массиве. Она может быть использована тогда, когда уже известно, что больше элементов вставлено не будет, и память может быть частично освобождена.

Void implode(Stack_t *stack) { stack->size = stack->top; stack->data = realloc(stack->data, stack->size * sizeof(T)); }

Можем использовать в нашем случае

For (i = 0; i < 300; i++) { push(s, i); } implode(s); for (i = 0; i < 300; i++) { printf("%d ", peek(s)); printf("%d ", pop(s)); }

Эта однопоточная реализация стека использует мало обращений к памяти, достаточно проста и универсальна, работает быстро и может быть реализована, при необходимости, за несколько минут. Она используется всегда в дальнейшем, если не указано иное.

У неё есть недостаток, связанный с методом увеличения потребляемой памяти. При умножении в 2 раза (в нашем случае) требуется мало обращений к памяти, но при этом каждое последующее увеличение может привести к ошибке, особенно при маленьком количестве памяти в системе. Если же использовать более щадящий способ выделения памяти (например, каждый раз прибавлять по 10), то число обращений увеличится и скорость упадёт. На сегодня, проблем с размером памяти обычно нет, а менеджеры памяти и сборщики мусора (которых нет в си) работают быстро, так что агрессивное изменение преобладает (на примере, скажем, реализации всей стандартной библиотеки языка Java).

Реализация стека на односвязном списке

Ч то такое односвязный список, . Коротко: односвязный список состоит из узлов, каждый из которых содержит полезную информацию и ссылку на следующий узел. Последний узел ссылается на NULL.

Никакого максимального и минимального размеров у нас не будет (хотя в общем случае может быть). Каждый новый элемент создаётся заново. Для начала определим структуру узел

#define STACK_OVERFLOW -100 #define STACK_UNDERFLOW -101 #define OUT_OF_MEMORY -102 typedef int T; typedef struct Node_tag { T value; struct Node_tag *next; } Node_t;

Функция вставки первого элемента проста: создаём новый узел. Указатель next кидаем на старый узел. Далее указатель на вершину стека перекидываем на вновь созданный узел. Теперь вершина стека указывает на новый узел.

Void push(Node_t **head, T value) { Node_t *tmp = malloc(sizeof(Node_t)); if (tmp == NULL) { exit(STACK_OVERFLOW); } tmp->next = *head; tmp->value = value; *head = tmp; }

Функция pop берёт первый элемент (тот, на который указывает вершина), перекидывает указатель на следующий элемент и возвращает первый. Здесь есть два варианта – можно вернуть узел или значение. Если вернём значение, то придётся удалять узел внутри функции

Node_t* pop1(Node_t **head) { Node_t *out; if ((*head) == NULL) { exit(STACK_UNDERFLOW); } out = *head; *head = (*head)->next; return out; }

T pop2(Node_t **head) { Node_t *out; T value; if (*head == NULL) { exit(STACK_UNDERFLOW); } out = *head; *head = (*head)->next; value = out->value; free(out); return value; }

Теперь вместо проверки на длину массива везде используется проверка на равенство NULL вершины стека.

Простая функция peek

T peek(const Node_t* head) { if (head == NULL) { exit(STACK_UNDERFLOW); } return head->value; }

Итерирование достаточно интересное. Просто переходим от одного узла к другому, пока не дойдём до конца

Void printStack(const Node_t* head) { printf("stack >"); while (head) { printf("%d ", head->value); head = head->next; } }

И ещё одна проблема – теперь нельзя просто посмотреть размер стека. Нужно пройти от начала до конца и посчитать все элементы. Например, так

Size_t getSize(const Node_t *head) { size_t size = 0; while (head) { size++; head = head->next; } return size; }

Конечно, можно хранить размер отдельно, можно обернуть стек со всеми данными ещё в одну структуру и т.д. Рассмотрим всё это при более подробном изучении списков.

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.