c语言基础----堆栈队列链表

Joymine 2020-01-17

堆则是一种经过排序的树形数据结构,常用来实现优先队列,他的特点在于形成某种优先的结构。在计算机经常用到,比如优先队列,或者是优先进程管理。

堆(也叫二叉堆)的性质:

1、任何一个节点,都不大于他的父亲节点。

2、必须是一颗完全二叉树

在数据结构中,栈是一种可以实现“先进后出”(或者称为“后进先出”)的存储结构。假设给定栈 S=(a0,a1,…,an-1),则称 a0 为栈底,an-1 为栈顶。进栈则按照 a0,a1,…,an-1 的顺序进行进栈;而出栈的顺序则需要反过来,按照“后存放的先取,先存放的后取”的原则进行,则 an-1 先退出栈,然后 an-2 才能够退出,最后再退出 a0

在实际编程中,可以通过两种方式来实现:使用数组的形式来实现栈,这种栈也称为静态栈;使用链表的形式来实现栈,这种栈也称为动态栈。

内存分配中的堆和栈

在 C 语言中,内存分配方式不外乎有如下三种形式:

  1. 从静态存储区域分配:它是由编译器自动分配和释放的,即内存在程序编译的时候就已经分配好,这块内存在程序的整个运行期间都存在,直到整个程序运行结束时才被释放,如全局变量与 static 变量。
  2. 在栈上分配:它同样也是由编译器自动分配和释放的,即在执行函数时,函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建,函数执行结束时这些存储单元将被自动释放。需要注意的是,栈内存分配运算内置于处理器的指令集中,它的运行效率一般很高,但是分配的内存容量有限。
  3. 从堆上分配:也被称为动态内存分配,它是由程序员手动完成申请和释放的。即程序在运行的时候由程序员使用内存分配函数(如 malloc 函数)来申请任意多少的内存,使用完之后再由程序员自己负责使用内存释放函数(如 free 函数)来释放内存。也就是说,动态内存的整个生存期是由程序员自己决定的,使用非常灵活。需要注意的是,如果在堆上分配了内存空间,就必须及时释放它,否则将会导致运行的程序出现内存泄漏等错误。

内存分配中的栈与堆主要存在如下区别:

1) 分配与释放方式

栈内存是由编译器自动分配与释放的,它有两种分配方式:静态分配和动态分配。

  • 静态分配是由编译器自动完成的,如局部变量的分配(即在一个函数中声明一个 int 类型的变量i时,编译器就会自动开辟一块内存以存放变量 i)。与此同时,其生存周期也只在函数的运行过程中,在运行后就释放,并不可以再次访问。
  • 动态分配由 alloca 函数进行分配,但是栈的动态分配与堆是不同的,它的动态分配是由编译器进行释放,无需任何手工实现。值得注意的是,虽然用 alloca 函数可以实现栈内存的动态分配,但 alloca 函数的可移植性很差,而且在没有传统堆栈的机器上很难实现。因此,不宜使用于广泛移植的程序中。当然,完全可以使用 C99 中的变长数组来替代 alloca 函数。


而堆内存则不相同,它完全是由程序员手动申请与释放的,程序在运行的时候由程序员使用内存分配函数(如 malloc 函数)来申请任意多少的内存,使用完再由程序员自己负责使用内存释放函数(如 free 函数)释放内存,如下面的代码所示:

/*分配堆内存*/
char  *p1 = (char *)malloc(4);
… …
/*释放堆内存*/
free(p1);
p1=NULL;

对栈内存的自动释放而言,虽然堆上的数据只要程序员不释放空间就可以一直访问,但是,如果一旦忘记了释放堆内存,那么将会造成内存泄漏,导致程序出现致命的潜在错误。

内存中的栈区主要用于分配局部变量空间,处于相对较高的地址,其栈地址是向下增长的;而堆区则主要用于分配程序员申请的内存空间,堆地址是向上增长的。

2) 分配的碎片问题

对堆来说,频繁分配和释放(malloc / free)不同大小的堆空间势必会造成内存空间的不连续,从而造成大量碎片,导致程序效率降低;而对栈来讲,则不会存在这个问题。

3) 分配的效率

大家都知道,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,例如,分配专门的寄存器存放栈的地址,压栈出栈都有专门的执行指令,这就决定了栈的效率比较高。一般而言,只要栈的剩余空间大于所申请空间,系统就将为程序提供内存,否则将报异常提示栈溢出。

而堆则不同,它是由 C/C++ 函数库提供的,它的机制也相当复杂。例如,为了分配一块堆内存,首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表,当系统收到程序的申请时,会遍历该链表,寻找第一个空间大于所申请空间的堆节点,然后将该节点从空闲节点链表中删除,并将该节点的空间分配给程序。而对于大多数系统,会在这块内存空间的首地址处记录本次分配的大小,这样,代码中的 delete 语句才能正确释放本内存空间。另外,由于找到的堆节点的大小不一定正好等于申请的大小,系统会自动将多余的那部分重新放入空闲链表中。很显然,堆的分配效率比栈要低得多。

4) 申请的大小限制

由于操作系统是用链表来存储空闲内存地址(内存区域不连续)的,同时链表的遍历方向是由低地址向高地址进行的。因此,堆内存的申请大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。

而栈则不同,它是一块连续的内存区域,其地址的增长方向是向下进行的,向内存地址减小的方向增长。由此可见,栈顶的地址和栈的最大容量一般都是由系统预先规定好的,如果申请的空间超过栈的剩余空间时,将会提示溢出错误。由此可见,相对于堆,能够从栈中获得的空间相对较小。

5) 存储的内容

对栈而言,一般用于存放函数的参数与局部变量等。例如,在函数调用时,第一个进栈的是(主函数中的)调用处的下一条指令(即函数调用语句的下一条可执行语句)的地址,然后是函数的各个参数,在大多数 C 编译器中,参数是由右往左入栈的,最后是函数中的局部变量(注意 static 变量是不入栈的)。

相关推荐