1.堆和棧

（1）數據結構的堆和棧

堆棧是兩種數據結構。

棧（棧像裝數據的桶或箱子）：是一種具有后進先出性質的數據結構，也就是說后存放的先取，先存放的后取。這就如同要取出放在箱子里面底下的東西（放入的比較早的物體），首先要移開壓在它上面的物體（放入的比較晚的物體）。

堆（堆像一棵倒過來的樹）：是一種經過排序的樹形數據結構，每個結點都有一個值。通常所說的堆的數據結構，是指二叉堆。堆的特點是根結點的值最?。ɑ蜃畲螅?，且根結點的兩個子樹也是一個堆。由于堆的這個特性，常用來實現優先隊列，堆的存取是隨意，這就如同在圖書館的書架上取書，雖然書的擺放是有順序的，但是想取任意一本時不必像棧一樣，先取出前面所有的書，書架這種機制不同于箱子，我們可以直接取出我們想要的書。

（2）內存分配中的堆和棧

C語言程序內存分配中的堆和棧。C語言程序經過編譯連接后形成編譯、連接后形成的二進制映像文件由棧，堆，數據段（由三部分部分組成：只讀數據段，已經初始化讀寫數據段，未初始化數據段即BBS）和代碼段組成，如下圖所示：

棧區：處于相對較高的地址，以地址的增長方向為上的話，棧地址是向下增長的；

堆區：是向上增長的用于分配程序員申請的內存空間。

一個例子：

main.cpp int a = 0; 全局初始化區 char *p1; 全局未初始化區 main() {  int b; 棧  char s[] = "abc"; 棧  char *p2; 棧  char *p3 = "123456"; //123456/0在常量區，p3在棧上。  static int c =0； 全局（靜態）初始化區  p1 = (char *)malloc(10); 堆  p2 = (char *)malloc(20); 堆 }

堆和棧的區別：

(a)申請方式和回收方式不同
1)棧（satck）:由系統自動分配。例如，聲明在函數中一個局部變量int b;系統自動在棧中為b開辟空間。
2)堆（heap）:需程序員自己申請（調用malloc,realloc,calloc）,并指明大小，并由程序員進行釋放。容易產生memory leak.
例如: char  *p;

         p = (char *)malloc(sizeof(char));

但是，p本身是在棧中。

由于棧上的空間是自動分配自動回收的，所以棧上的數據的生存周期只是在函數的運行過程中，運行后就釋放掉，不可以再訪問。而堆上的數據只要程序員不釋放空間，就一直可以訪問到，不過缺點是一旦忘記釋放會造成內存泄露。

(b)申請后系統的響應

1）棧：只要棧的空間大于所申請空間，系統將為程序提供內存，否則將報異常提示棧溢出。

2）堆：首先應該知道操作系統有一個記錄空閑內存地址的鏈表，但系統收到程序的申請時，會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大于所申請空間的堆結點，然后將該結點從空閑鏈表中刪除，并將該結點的空間分配給程序，另外，對于大多數系統，會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的free語句才能正確的釋放本內存空間。另外，找到的堆結點的大小不一定正好等于申請的大小，系統會自動的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。
說明：對于堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成內存空間的不連續，從而造成大量的碎片，使程序效率降低。對于棧來講，則不會存在這個問題。

堆會在申請后還要做一些后續的工作這就會引出申請效率的問題。

(c)申請效率
1）棧由系統自動分配，速度快。但程序員是無法控制。
2）堆是由malloc分配的內存，一般速度比較慢，而且容易產生碎片，不過用起來最方便。

(d)申請大小的限制

1）棧：在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構，是一塊連續的內存的區域。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余空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。 

2）堆：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的內存區域。這是由于系統是用鏈表來存儲的空閑內存地址的，自然是不連續的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

(e)堆和棧中的存儲內容

1）棧： 在函數調用時，第一個進棧的是主函數中函數調用后的下一條指令（函數調用語句的下一條可執行語句）的地址，然后是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，然后是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。 
當本次函數調用結束后，局部變量先出棧，然后是參數，最后棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。 

2）堆：一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。

(f)存取效率

1）堆：char *s1=”hellow tigerjibo”;是在編譯是就確定的；

2）棧：char s1[]=”hellow tigerjibo”;是在運行時賦值的；用數組比用指針速度更快一些，指針在底層匯編中需要用edx寄存器中轉一下，而數組在棧上讀取。

補充：

棧是機器系統提供的數據結構，計算機會在底層對棧提供支持：分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執行，這就決定了棧的效率比較高。堆則是C/C++函數庫提供的，它的機制是很復雜的，例如為了分配一塊內存，庫函數會按照一定的算法（具體的算法可以參考數據結構/操作系統）在堆內存中搜索可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由于內存碎片太多），就有可能調用系統功能去增加程序數據段的內存空間，這樣就有機會分到足夠大小的內存，然后進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

(g)分配方式：

1）堆都是動態分配的，沒有靜態分配的堆。

2）棧有兩種分配方式：靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動態分配由alloca函數進行分配，但是棧的動態分配和堆是不同的。它的動態分配是由編譯器進行釋放，無需手工實現。

最后，關于棧和堆一個形象的比喻：

使用棧就象我們去飯館里吃飯，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，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肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。

2.堆棧和隊列（數據結構）

（1）堆棧

基本概念

(a)定義:限定只能在固定一端進行插入和刪除操作的線性表。
特點：后進先出。

(b)允許進行插入和刪除操作的一端稱為棧頂，另一端稱為棧底。
作用：可以完成從輸入數據序列到某些輸出數據序列的轉換。

堆棧抽象數據類型

數據集合: 
{a0,a1,…,an-1} ，ai的數據類型為DataType。

操作集合：

(a) StackInitiate(S) ：初始化堆棧S
(b) StackNotEmpty(S)：堆棧S非空否
(c)StackPush(S, x) ：入棧
(d)StackPop(S, d)：出棧
(e)StackTop(S, d)：取棧頂數據元素

堆棧類型

(a)順序堆棧

順序堆棧：順序存儲結構的堆棧。
順序棧的存儲結構：利用一組地址連續的存儲單元依次存放自棧底到棧頂的數據元素。

數據結構：

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

(b)鏈式堆棧

鏈式堆棧：鏈式存儲結構的堆棧。

鏈式棧的存儲結構：它是以頭指針為棧頂，在頭指針處插入或刪除，帶頭結點的鏈式堆棧結構：

鏈棧中每個結點由兩個域構成：data域和next域。

結點結構體定義如下