基本介紹
- 中文名：堆疊
- 外文名： stack
- 領域：計算機
- 定義：數據結構
- 功能：對數據項進行插入和刪除
簡介,對比分析,堆疊空間分配,堆疊快取方式,堆疊數據結構區別,區別介紹,java,C/C++,理論知識,申請方式,申請回響,申請限制,效率比較,存儲內容,存取比較,小結,主要分別,補充說明,
簡介
單片機套用中，堆疊是個特殊存儲區，堆疊屬於RAM空間的一部分，堆疊用於函式調用、中斷切換時保存和恢復現場數據。堆疊中的物體具有一個特性：第一個放入堆疊中的物體總是被最後拿出來， 這個特性通常稱為先進後出 (FILO—First-In/Last-Out)。 堆疊中定義了一些操作， 兩個最重要的是PUSH和POP。 PUSH（入棧）操作：堆疊指針（SP）加1，然後在堆疊的頂部加入一 個元素。POP（出棧）操作相反，出棧則先將SP所指示的內部ram單元中內容送入直接地址定址的單元中（目的位置），然後再將堆疊指針（SP）減1.。這兩種操作實現了數據項的插入和刪除。
對比分析
堆疊空間分配
棧（作業系統）： 一般由程式設計師分配釋放， 若程式設計師不釋放，程式結束時可能由OS回收，分配方式倒是類似於鍊表。
堆疊快取方式
棧使用的是一級快取， 他們通常都是被調用時處於存儲空間中，調用完畢立即釋放。
堆則是存放在二級快取中，生命周期由虛擬機的垃圾回收算法來決定（並不是一旦成為孤兒對象就能被回收）。所以調用這些對象的速度要相對來得低一些。
堆疊數據結構區別
堆（數據結構）：堆可以被看成是一棵樹，如：堆排序。
棧（數據結構）：一種先進後出的數據結構。
例如：順序棧AStack的類定義
template < class T >
class AStack {
private:
int size ; // 數組的規模
T * stackArray ; // 存放堆疊元素的數組
int top ; // 棧頂所在數組元素的下標
public:
AStack ( int MaxStackSize ) // 構造函式
{ size = MaxStackSize ; stackArray = new T [MaxStackSize] ; top = -1 ; }
~AStack ( ) { delete [ ] stackArray ; } // 析構函式
bool Push ( const T& item ) ; // 向棧頂壓入一個元素
bool Pop ( T & item ) ; // 從棧頂彈出一個元素
bool Peek ( T & item ) const ; // 存取棧頂元素
int IsEmpty ( void ) const { return top = = -1 ; }
// 檢測棧是否為空
int IsFull ( void ) const { return top size-1 ; }
// 檢測棧是否為滿
void clear ( void ) { top-1 ; } // 清空棧
} ;
區別介紹
java
1. 棧(stack)與堆(heap)都是Java用來在Ram中存放數據的地方。與C++不同，Java自動管理棧和堆，程式設計師不能直接地設定棧或堆。
2. 棧的優勢是，存取速度比堆要快，僅次於直接位於CPU中的暫存器。但缺點是，存在棧中的數據大小與生存期必須是確定的，缺乏靈活性。另外，棧數據在多個執行緒或者多個棧之間是不可以共享的，但是在棧內部多個值相等的變數是可以指向一個地址的，詳見第3點。堆的優勢是可以動態地分配記憶體大小，生存期也不必事先告訴編譯器，Java的垃圾收集器會自動收走這些不再使用的數據。但缺點是，由於要在運行時動態分配記憶體，存取速度較慢。
3.Java中的數據類型有兩種。
一種是基本類型(primitivetypes), 共有8種，即int,short, long, byte, float, double, boolean, char(注意，並沒有string的基本類型)。這種類型的定義是通過諸如int a= 3; long b = 255L;的形式來定義的，稱為自動變數。值得注意的是，自動變數存的是字面值，不是類的實例，即不是類的引用，這裡並沒有類的存在。如int a= 3; 這裡的a是一個指向int類型的引用，指向3這個字面值。這些字面值的數據，由於大小可知，生存期可知(這些字面值固定定義在某個程式塊裡面，程式塊退出後，欄位值就消失了)，出於追求速度的原因，就存在於棧中。
另外，棧有一個很重要的特殊性，就是存在棧中的數據可以共享。假設我們同時定義：
int a=3;int b=3;
編譯器先處理int a= 3；首先它會在棧中創建一個變數為a的記憶體空間，然後查找有沒有字面值為3的地址，沒找到，就開闢一個存放3這個字面值的地址，然後將a指向3的地址。接著處理int b= 3；在創建完b的引用變數後，由於在棧中已經有3這個字面值，便將b直接指向3的地址。這樣，就出現了a與b同時均指向3的情況。
特別注意的是，這種字面值的引用與類對象的引用不同。假定兩個類對象的引用同時指向一個對象，如果一個對象引用變數修改了這個對象的內部狀態，那么另一個對象引用變數也即刻反映出這個變化。相反，通過字面值的引用來修改其值，不會導致另一個指向此字面值的引用的值也跟著改變的情況。如上例，我們定義完a與b的值後，再令a=4；那么，b不會等於4，還是等於3。在編譯器內部，遇到a=4；時，它就會重新搜尋棧中是否有4的字面值，如果沒有，重新開闢地址存放4的值；如果已經有了，則直接將a指向這個地址。因此a值的改變不會影響到b的值。
另一種是包裝類數據，【如Integer,String, Double等將相應的基本數據類型包裝起來的類。這些類數據全部存在於【堆】中】，Java用new()語句來顯示地告訴編譯器，在運行時才根據需要動態創建，因此比較靈活，但缺點是要占用更多的時間。 4.String是一個特殊的包裝類數據。即可以用String str = new String("abc");的形式來創建，也可以用String str = "abc"；的形式來創建(作為對比，在JDK 5.0之前，你從未見過Integer i = 3;的表達式，因為類與字面值是不能通用的，除了String。而在JDK5.0中，這種表達式是可以的！因為編譯器在後台進行Integer i = new Integer(3)的轉換)。前者是規範的類的創建過程，即在Java中，一切都是對象，而對象是類的實例，全部通過new()的形式來創建。Java中的有些類，如DateFormat類，可以通過該類的getInstance()方法來返回一個新創建的類，似乎違反了此原則。其實不然。該類運用了單例模式來返回類的實例，只不過這個實例是在該類內部通過new()來創建的，而getInstance()向外部隱藏了此細節。那為什麼在String str = "abc"；中，並沒有通過new()來創建實例，是不是違反了上述原則？其實沒有。
4. 關於String str = "abc"的內部工作。Java內部將此語句轉化為以下幾個步驟：【String str = "abc"，String str不要連著】
(1)先定義一個名為str的對String類的對象引用變數：String str；
(2)【在【棧】中查找有沒有存放值為"abc"的地址，如果沒有，則開闢一個存放字面值為"abc"的地址，接著創建一個新的String類的對象o，並將o的字元串值指向這個地址，而且在棧中這個地址旁邊記下這個引用的對象o。如果已經有了值為"abc"的地址，則查找對象o，並返回o的地址。】【上文說數據時存放在堆中，此文說數據存放在棧中】[因為此處不是通過new（）創建的啊]
(3)將str指向對象o的地址。
值得注意的是，一般String類中字元串值都是直接存值的。但像String str = "abc"；這種場合下，其字元串值卻是保存了一個指向存在棧中數據的引用！
為了更好地說明這個問題，我們可以通過以下的幾個代碼進行驗證。
複製內容到剪貼簿代碼:
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String str1="abc";String str2="abc";System.out.println(str1==str2);//true
注意，我們這裡並不用str1.equals(str2)；的方式，因為這將比較兩個字元串的值是否相等。==號，根據JDK的說明，只有在兩個引用都指向了同一個對象時才返回真值。而我們在這裡要看的是，str1與str2是否都指向了同一個對象。
結果說明，JVM創建了兩個引用str1和str2，但只創建了一個對象，而且兩個引用都指向了這個對象。
結果說明，JVM創建了兩個引用str1和str2，但只創建了一個對象，而且兩個引用都指向了這個對象。
我們再來更進一步，將以上代碼改成：
複製內容到剪貼簿代碼:
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String str1="abc";String str2="abc";str1="bcd";System.out.println(str1+","+str2);//bcd,abcSystem.out.println(str1==str2);//false
這就是說，賦值的變化導致了類對象引用的變化，str1指向了另外一個新對象！而str2仍舊指向原來的對象。上例中，當我們將str1的值改為"bcd"時，JVM發現在棧中沒有存放該值的地址，便開闢了這個地址，並創建了一個新的對象，其字元串的值指向這個地址。
事實上，String類被設計成為不可改變(immutable)的類。如果你要改變其值，可以，但JVM在運行時根據新值悄悄創建了一個新對象，然後將這個對象的地址返回給原來類的引用。這個創建過程雖說是完全自動進行的，但它畢竟占用了更多的時間。在對時間要求比較敏感的環境中，會帶有一定的不良影響。
再修改原來代碼：
複製內容到剪貼簿代碼:
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String str1="abc";String str2="abc";str1="bcd";String str3=str1;System.out.println(str3);//bcdString str4="bcd";System.out.println(str1==str4);//true
我們再接著看以下的代碼。
複製內容到剪貼簿代碼:
String str1 = new String("abc");
String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //false
複製內容到剪貼簿代碼:
String str1 = new String("abc");
String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //false
String str1 = "abc";
String str2 = new String("abc");
System.out.println(str1==str2); //false
創建了兩個引用。創建了兩個對象。兩個引用分別指向不同的兩個對象。
String str2 = new String("abc");
System.out.println(str1==str2); //false
創建了兩個引用。創建了兩個對象。兩個引用分別指向不同的兩個對象。
以上兩段代碼說明，只要是用new()來新建對象的，都會在堆中創建，而且其字元串是單獨存值的，即使與棧中的數據相同，也不會與棧中的數據共享。
5. 數據類型包裝類的值不可修改。不僅僅是String類的值不可修改，所有的數據類型包裝類都不能更改其內部的值。
6. 結論與建議：
(1)我們在使用諸如String str = "abc"；的格式定義類時，總是想當然地認為，我們創建了String類的對象str。擔心陷阱！對象可能並沒有被創建！唯一可以肯定的是，指向String類的引用被創建了。至於這個引用到底是否指向了一個新的對象，必須根據上下文來考慮，除非你通過new()方法來顯要地創建一個新的對象。因此，更為準確的說法是，我們創建了一個指向String類的對象的引用變數str，這個對象引用變數指向了某個值為"abc"的String類。清醒地認識到這一點對排除程式中難以發現的bug是很有幫助的。
(2)使用String str = "abc"；的方式，可以在一定程度上提高程式的運行速度，因為JVM會自動根據棧中數據的實際情況來決定是否有必要創建新對象。而對於Stringstr = new String("abc")；的代碼，則一概在堆中創建新對象，而不管其字元串值是否相等，是否有必要創建新對象，從而加重了程式的負擔。這個思想應該是享元模式的思想，但JDK的內部在這裡實現是否套用了這個模式，不得而知。
(3)當比較包裝類裡面的數值是否相等時，用equals()方法；當測試兩個包裝類的引用是否指向同一個對象時，用==。
(4)由於String類的immutable性質，當String變數需要經常變換其值時，應該考慮使用StringBuffer類，以提高程式效率
C/C++
一個由C/C++編譯的程式占用的記憶體分為以下幾個部分
2、堆區（heap）— 由程式設計師分配釋放， 若程式設計師不釋放，程式結束時可能由OS回收。注意它與數據結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似於鍊表。
4、文字常量區—常量字元串就是放在這裡的，程式結束後由系統釋放 。
變數的存儲方式
存儲描述 | 持續性 | 作用域 | 連結性 | 如何聲明 |
自動 | 自動 | 代碼塊 | 無 | 在代碼塊中 |
暫存器 | 自動 | 代碼塊 | 無 | 在代碼塊中，使用關鍵字 register |
靜態，無連結性 | 靜態 | 代碼塊 | 無 | 在代碼塊中，使用關鍵字 static |
靜態，外部連結性 | 靜態 | 檔案 | 外部 | 不在任何函式內 |
靜態，內部連結性 | 靜態 | 檔案 | 內部 | 不在任何函式內，使用關鍵字 static |
首先，定義靜態變數時如果沒有初始化編譯器會自動初始化為0.。接下來，如果是使用常量表達式初始化了變數，則編譯器僅根據檔案內容（包括被包含的頭檔案）就可以計算表達式，編譯器將執行常量表達式初始化。必要時，編譯器將執行簡單計算。如果沒有足夠的信息，變數將被動態初始化。請看一下代碼：
int global_1=1000;//靜態變數外部連結性常量表達式初始化int global_2;//靜態變數外部連結性零初始化static int one_file_1=1000;//靜態變數內部連結性常量表達式初始化static int one_file_2;//靜態變數內部連結性零初始化int main(){static int count_1=1000;//靜態變數無連結性常量表達式初始化static int count_2;//靜態變數無連結性零初始化return 0;}所有的靜態持續變數都有下述初始化特徵：未被初始化的靜態變數的所有位都被設為0。這種變數被稱為零初始化。以上代碼說明關鍵字static的兩種用法，但含義有些不同：用於局部聲明，以指出變數是無連結性的靜態變數時，static表示的是存儲持續性；而用於代碼塊外聲明時，static表示內部連結性，而變數已經是靜態持續性了。有人稱之為關鍵字重載，即關鍵字的含義取決於上下文。
理論知識
申請方式
stack:
由系統自動分配。 例如，聲明在函式中一個局部變數int b; 系統自動在棧中為b開闢空間
heap:
需要程式設計師自己申請，並指明大小，在c中malloc函式
如p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new運算符
如p2 = new char[10];//(char *)malloc(10);
但是注意p1、p2本身是在棧中的。
申請回響
棧：只要棧的剩餘空間大於所申請空間，系統將為程式提供記憶體，否則將報異常提示棧溢出。
堆：首先應該知道作業系統有一個記錄空閒記憶體地址的鍊表，當系統收到程式的申請時，會遍歷該鍊表，尋 找第一個空間大於所申請空間的堆結點，然後將該結點從空閒結點鍊表中刪除，並將該結點的空間分配給程式，另外，對於大多數系統，會在這塊記憶體空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete語句才能正確的釋放本記憶體空間。另外，由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小，系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閒鍊表中。
申請限制
棧：在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構，是一塊連續的記憶體的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在 WINDOWS下，棧的大小是2M（也有的說是1M，總之是一個編譯時就確定的常數），如果申請的空間超過棧的剩餘空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。
堆：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的記憶體區域。這是由於系統是用鍊表來存儲的空閒記憶體地址的，自然是不連續的，而鍊表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬記憶體。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。
效率比較
棧由系統自動分配，速度較快。但程式設計師是無法控制的。
堆是由new分配的記憶體，一般速度比較慢，而且容易產生記憶體碎片,不過用起來最方便.
另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配記憶體，他不是在堆，也不是在棧,而是直接在進程的地址空間中保留一塊記憶體，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活
存儲內容
堆：一般是在堆的頭部用一個位元組存放堆的大小。堆中的具體內容由程式設計師安排。
存取比較
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的；
而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的；
比如：
#includevoid main(){char a = 1;char c[] = "1234567890";char *p ="1234567890";a = c[1];a = p[1];return;}對應的彙編代碼
10: a = c[1];
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl
11: a = p[1];
0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]
00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]
00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al
小結
堆和棧的區別可以用如下的比喻來看出：
使用棧就象我們去飯館裡吃飯，只管點菜（發出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自由度小。
使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜餚，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。
主要分別
作業系統方面的堆和棧，如上面說的那些。
還有就是數據結構方面的堆和棧，這些都是不同的概念。這裡的堆實際上指的就是（滿足堆性質的）優先佇列的一種數據結構，第1個元素有最高的優先權；棧實際上就是滿足後進先出的性質的數學或數據結構。
雖然堆疊，堆疊的說法是連起來叫，但是他們還是有很大區別的，連著叫只是由於歷史的原因。
堆與棧的分布
堆與棧的分布