深入浅析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。

数据结构：

typedef struct
{
 DataTypestack[MaxStackSize];
 int top;
}SeqStack;

(b)链式堆栈

链式堆栈：链式存储结构的堆栈。

链式栈的存储结构：它是以头指针为栈顶，在头指针处插入或删除，带头结点的链式堆栈结构：

链栈中每个结点由两个域构成：data域和next域。

结点结构体定义如下??

typedef struct snode
{  
  DataType data;
  struct snode *next;
} LSNode;

采用链栈存储方式的优点是：当栈中元素个数变化较大，准确数字难以确定时，链栈较顺序堆栈方便。

（2）队列

基本概念

定义:只能在表的一端进行插入操作（队尾），在表的另一端进行删除操作的线性表（队头）。一个队列的示意图如下：

队列抽象数据类型

数据集合:{a0,a1,…,an-1}，ai的数据类型为DataType。
操作集合：

(a)初始化QueueInitiate(Q) 

(b)非空否QueueNotEmpty(Q)

(c)入队列QueueAppend(Q,x)

(d)出队列QueueDelete(Q,d)

(e)取队头数据元素QueueGet(Q, d)

队列类型：

(a)顺序队列

顺序队列：顺序存储结构的队列。

顺序队列的存储结构：有6个存储空间的顺序队列动态示意图如下。

顺序队列的“假溢出”问题：因多次入队列和出队列操作后出现的虽有存储空间但不能进行入队列操作的情况。

可采取四种方法解决：

1)采用顺序循环队列；

2)按最大可能的进队操作次数设置顺序队列的最大元素个数（最差的方法）；

3)修改出队算法，使每次出队列后都把队列中剩余数据元素向队头方向移动一个位置；

4)修改入队算法，增加判断条件，当假溢出时，把队列中的数据元素向对头移动，然后方完成入队操作。

(b)顺序循环队列

基本原理：把顺序队列所使用的存储空间构造成一个逻辑上首尾相连的循环队列。当rear和front达到MaxQueueSize-1后，再前进一个位置就自动到0。

顺序循环队列的队空和队满判断问题：

在顺序循环队列中，队空特征是front=rear，队满时也会是front=rear，判决条件将出现二义性，解决方案有三：

1)使用一个计数器记录队列中元素个数（即队列长度）；

判队满：count>0 && rear==front
判队空：count==0

2)设标志位：出队时置0,入队时置1,则可识别当前front=rear  属于何种情况；

判队满：tag==1 && rear==front
判队空：tag==0 && rear==front

3)少用一个存储单元

判队满：front=(rear+1)%MaxQueueSize
判队空：rear==front

顺序循环队列的结构体定义如下：

typedef struct
{
  DataType queue[MaxQueueSize];
  int rear;
  int front;
  int count;
} SeqCQueue; 

(c)链式队列

链式队列：链式存储结构的队列。
链式队列的存储结构：链式队列的队头指针指向队列的当前队头结点;队尾指针指在队列的当前队尾结点。一个不带头结点的链式队列的结构。

结点的结构体可定义如下：

typedef struct qnode
{
  DataTypedata;
  struct qnode*next;
}LQNode;
队头指针front和队尾指针rear的结构体类型：
typedef struct
{
 LQNode *front;
 LQNode *rear;
}LQueue;

(d)优先级队列

优先级队列：带有优先级的队列。

顺序优先级队列：用顺序存储结构存储的优先级队列。

优先级队列和一般队列的主要区别：优先级队列的出队列操作不是把队头元素出队列，而是把队列中优先级最高的元素出队列。

它的数据元素定义为如下结构体：

struct DataType              
{
 ElemType elem;//数据元素
 int priority;   //优先级
};

注：顺序优先级队列除出队列操作外的其他操作的实现方法与前边讨论的顺序队列操作的实现方法相同。