C语言中堆栈队列

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了C语言中堆栈队列相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

C语言中堆、栈和队列：

1.堆和栈

（1）数据结构的堆和栈

堆栈是两种数据结构。

栈（栈像装数据的桶或箱子）：是一种具有后进先出性质的数据结构，也就是说后存放的先取，先存放的后取。这就如同要取出放在箱子里面底下的东西（放入的比较早的物体），首先要移开压在它上面的物体（放入的比较晚的物体）。

堆（堆像一棵倒过来的树）：是一种经过排序的树形数据结构，每个结点都有一个值。通常所说的堆的数据结构，是指二叉堆。堆的特点是根结点的值最小（或最大），且根结点的两个子树也是一个堆。由于堆的这个特性，常用来实现优先队列，堆的存取是随意，这就如同在图书馆的书架上取书，虽然书的摆放是有顺序的，但是想取任意一本时不必像栈一样，先取出前面所有的书，书架这种机制不同于箱子，我们可以直接取出我们想要的书。
 
（2）内存分配中的堆和栈

C语言程序内存分配中的堆和栈。C语言程序经过编译连接后形成编译、连接后形成的二进制映像文件由栈，堆，数据段（由三部分部分组成：只读数据段，已经初始化读写数据段，未初始化数据段即BBS）和代码段组成，如下图所示：



栈区：处于相对较高的地址，以地址的增长方向为上的话，栈地址是向下增长的；

堆区：是向上增长的用于分配程序员申请的内存空间。

一个例子：

main.cpp 
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 
    p2 = (char *)malloc(20);  堆 
}


堆和栈的区别：

(a)申请方式和回收方式不同
1)栈（satck）:由系统自动分配。例如，声明在函数中一个局部变量int b;系统自动在栈中为b开辟空间。
2)堆（heap）:需程序员自己申请（调用malloc,realloc,calloc）,并指明大小，并由程序员进行释放。容易产生memory leak.
例如: char  *p;

         p = (char *)malloc(sizeof(char));
但是，p本身是在栈中。

由于栈上的空间是自动分配自动回收的，所以栈上的数据的生存周期只是在函数的运行过程中，运行后就释放掉，不可以再访问。而堆上的数据只要程序员不释放空间，就一直可以访问到，不过缺点是一旦忘记释放会造成内存泄露。

(b)申请后系统的响应

1）栈：只要栈的空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。
2）堆：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，但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结点，然后将该结点从空闲链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的free语句才能正确的释放本内存空间。另外，找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。
说明：对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题。

堆会在申请后还要做一些后续的工作这就会引出申请效率的问题。

(c)申请效率
1）栈由系统自动分配，速度快。但程序员是无法控制。
2）堆是由malloc分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生碎片，不过用起来最方便。

(d)申请大小的限制
1）栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在 Windows下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。 
2）堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

(e)堆和栈中的存储内容
1）栈： 在函数调用时，第一个进栈的是主函数中函数调用后的下一条指令（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，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。 
当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。 
2）堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。

(f)存取效率
1）堆：char *s1=”hellow tigerjibo”;是在编译是就确定的；
2）栈：char s1[]=”hellow tigerjibo”;是在运行时赋值的；用数组比用指针速度更快一些，指针在底层汇编中需要用edx寄存器中转一下，而数组在栈上读取。
补充：
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：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。显然，堆的效率比栈要低得多。

(g)分配方式：
1）堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。
2）栈有两种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的。它的动态分配是由编译器进行释放，无需手工实现。


最后，关于栈和堆一个形象的比喻：

使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，好处是快捷，但是自由度小。
使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。




2.堆栈和队列（数据结构）

（1）堆栈

基本概念

(a)定义:限定只能在固定一端进行插入和删除操作的线性表。
特点：后进先出。
(b)允许进行插入和删除操作的一端称为栈顶，另一端称为栈底。
作用：可以完成从输入数据序列到某些输出数据序列的转换。


堆栈抽象数据类型
数据集合: 
{a0,a1,…,an-1} ，ai的数据类型为DataType。
操作集合：
(a) StackInitiate(S) ：初始化堆栈S
(b) StackNotEmpty(S)：堆栈S非空否
(c)StackPush(S, x) ：入栈
(d)StackPop(S, d)：出栈
(e)StackTop(S, d)：取栈顶数据元素


堆栈类型

(a)顺序堆栈

顺序堆栈：顺序存储结构的堆栈。
顺序栈的存储结构：利用一组地址连续的存储单元依次存放自栈底到栈顶的数据元素。