Что такое стековое программирование

Основные принципы программирования: стек и куча

Мы используем всё более продвинутые языки программирования, которые позволяют нам писать меньше кода и получать отличные результаты. За это приходится платить. Поскольку мы всё реже занимаемся низкоуровневыми вещами, нормальным становится то, что многие из нас не вполне понимают, что такое стек и куча, как на самом деле происходит компиляция, в чём разница между статической и динамической типизацией, и т.д. Я не говорю, что все программисты не знают об этих понятиях — я лишь считаю, что порой стоит возвращаться к таким олдскульным вещам.

Сегодня мы поговорим лишь об одной теме: стек и куча. И стек, и куча относятся к различным местоположениям, где происходит управление памятью, но стратегия этого управления кардинально отличается.

Стек — это область оперативной памяти, которая создаётся для каждого потока. Он работает в порядке LIFO (Last In, First Out), то есть последний добавленный в стек кусок памяти будет первым в очереди на вывод из стека. Каждый раз, когда функция объявляет новую переменную, она добавляется в стек, а когда эта переменная пропадает из области видимости (например, когда функция заканчивается), она автоматически удаляется из стека. Когда стековая переменная освобождается, эта область памяти становится доступной для других стековых переменных.

Из-за такой природы стека управление памятью оказывается весьма логичным и простым для выполнения на ЦП; это приводит к высокой скорости, в особенности потому, что время цикла обновления байта стека очень мало, т.е. этот байт скорее всего привязан к кэшу процессора. Тем не менее, у такой строгой формы управления есть и недостатки. Размер стека — это фиксированная величина, и превышение лимита выделенной на стеке памяти приведёт к переполнению стека. Размер задаётся при создании потока, и у каждой переменной есть максимальный размер, зависящий от типа данных. Это позволяет ограничивать размер некоторых переменных (например, целочисленных), и вынуждает заранее объявлять размер более сложных типов данных (например, массивов), поскольку стек не позволит им изменить его. Кроме того, переменные, расположенные на стеке, всегда являются локальными.

В итоге стек позволяет управлять памятью наиболее эффективным образом — но если вам нужно использовать динамические структуры данных или глобальные переменные, то стоит обратить внимание на кучу.

Куча — это хранилище памяти, также расположенное в ОЗУ, которое допускает динамическое выделение памяти и не работает по принципу стека: это просто склад для ваших переменных. Когда вы выделяете в куче участок памяти для хранения переменной, к ней можно обратиться не только в потоке, но и во всем приложении. Именно так определяются глобальные переменные. По завершении приложения все выделенные участки памяти освобождаются. Размер кучи задаётся при запуске приложения, но, в отличие от стека, он ограничен лишь физически, и это позволяет создавать динамические переменные.

27–29 декабря, Онлайн, Беcплатно

Вы взаимодействуете с кучей посредством ссылок, обычно называемых указателями — это переменные, чьи значения являются адресами других переменных. Создавая указатель, вы указываете на местоположение памяти в куче, что задаёт начальное значение переменной и говорит программе, где получить доступ к этому значению. Из-за динамической природы кучи ЦП не принимает участия в контроле над ней; в языках без сборщика мусора (C, C++) разработчику нужно вручную освобождать участки памяти, которые больше не нужны. Если этого не делать, могут возникнуть утечки и фрагментация памяти, что существенно замедлит работу кучи.

В сравнении со стеком, куча работает медленнее, поскольку переменные разбросаны по памяти, а не сидят на верхушке стека. Некорректное управление памятью в куче приводит к замедлению её работы; тем не менее, это не уменьшает её важности — если вам нужно работать с динамическими или глобальными переменными, пользуйтесь кучей.

Заключение

Вот вы и познакомились с понятиями стека и кучи. Вкратце, стек — это очень быстрое хранилище памяти, работающее по принципу LIFO и управляемое процессором. Но эти преимущества приводят к ограниченному размеру стека и специальному способу получения значений. Для того, чтобы избежать этих ограничений, можно пользоваться кучей — она позволяет создавать динамические и глобальные переменные — но управлять памятью должен либо сборщик мусора, либо сам программист, да и работает куча медленнее.

Источник

О стеке простыми словами — для студентов и просто начинающих

Привет, я студент второго курса технического университета. После пропуска нескольких пар программирования по состоянию здоровья, я столкнулся с непониманием таких тем, как «Стек» и «Очередь». Путем проб и ошибок, спустя несколько дней, до меня наконец дошло, что это такое и с чем это едят. Чтобы у вас понимание не заняло столько времени, в данной статье я расскажу о том что такое «Стек», каким образом и на каких примерах я понял что это такое. Если вам понравится, я напишу вторую часть, которая будет затрагивать уже такое понятие, как «Очередь»

Теория

На Википедии определение стека звучит так:

Стек (англ. stack — стопка; читается стэк) — абстрактный тип данных, представляющий собой список элементов, организованных по принципу LIFO (англ. last in — first out, «последним пришёл — первым вышел»).

Поэтому первое, на чем бы я хотел заострить внимание, это представление стека в виде вещей из жизни. Первой на ум мне пришла интерпретация в виде стопки книг, где верхняя книга — это вершина.

На самом деле стек можно представить в виде стопки любых предметов будь то стопка листов, тетрадей, рубашек и тому подобное, но пример с книгами я думаю будет самым оптимальным.

Итак, из чего же состоит стек.

Стек состоит из ячеек(в примере — это книги), которые представлены в виде структуры, содержащей какие-либо данные и указатель типа данной структуры на следующий элемент.
Сложно? Не беда, давайте разбираться.

На данной картинке схематично изображен стек. Блок вида «Данные/*next» и есть наша ячейка. *next, как мы видим, указывает на следующий элемент, другими словами указатель *next хранит адрес следующей ячейки. Указатель *TOP указывает на вершину стек, то есть хранит её адрес.

С теорией закончили, перейдем к практике.

Практика

Для начала нам нужно создать структуру, которая будет являться нашей «ячейкой»

Новичкам возможно будет не понятно, зачем наш указатель — типа comp, точнее сказать указатель типа структуры comp. Объясню, для того чтобы указатель *next мог хранить структуру comp, ей нужно обозначить тип этой структуры. Другими словами указать, что будет хранить указатель.

После того как у нас задана «Ячейка», перейдем к созданию функций.

Функции

Функция создания «Стека»/добавления элемента в «Стек»

При добавлении элемента у нас возникнет две ситуации:

Разберем чуть чуть по-подробнее.
Во-первых, почему функция принимает **top, то есть указатель на указатель, для того чтобы вам было наиболее понятно, я оставлю рассмотрение этого вопроса на потом. Во-вторых, по-подробнее поговорим о q->next = *top и о том, что же означает ->.

-> означает то, что грубо говоря, мы заходим в нашу структуру и достаем оттуда элемент этой структуры. В строчке q->next = *top мы из нашей ячейки достаем указатель на следующий элемент *next и заменяем его на указатель, который указывает на вершину стека *top. Другими словами мы проводим связь, от нового элемента к вершине стека. Тут ничего сложного, все как с книгами. Новую книгу мы кладем ровно на вершину стопки, то есть проводим связь от новой книги к вершине стопки книг. После этого новая книга автоматически становится вершиной, так как стек не стопка книг, нам нужно указать, что новый элемент — вершина, для этого пишется: *top = q;.

Функция удаления элемента из «Стека» по данным

Данная функция будет удалять элемент из стека, если число Data ячейки(q->Data) будет равна числу, которое мы сами обозначим.

Здесь могут быть такие варианты:

Для лучшего понимания удаления элемента проведем аналогии с уже привычной стопкой книг. Если нам нужно убрать книгу сверху, мы её убираем, а книга под ней становится верхней. Тут то же самое, только в начале мы должны определить, что следующий элемент станет вершиной *top = q->next; и только потом удалить элемент free(q);

Если книга, которую нужно убрать находится между двумя книгами или между книгой и столом, предыдущая книга ляжет на следующую или на стол. Как мы уже поняли, книга у нас-это ячейка, а стол получается это NULL, то есть следующего элемента нет. Получается так же как с книгами, мы обозначаем, что предыдущая ячейка будет связана с последующей prev->next = q->next;, стоит отметить что prev->next может равняться как ячейке, так и нулю, в случае если q->next = NULL, то есть ячейки нет(книга ляжет на стол), после этого мы очищаем ячейку free(q).

Так же стоит отметить, что если не провести данную связь, участок ячеек, который лежит после удаленной ячейки станет недоступным, так как потеряется та самая связь, которая соединяет одну ячейку с другой и данный участок просто затеряется в памяти

Функция вывода данных стека на экран

Самая простая функция:

Здесь я думаю все понятно, хочу сказать лишь то, что q нужно воспринимать как бегунок, он бегает по всем ячейкам от вершины, куда мы его установили вначале: *q = top;, до последнего элемента.

Главная функция

Хорошо, основные функции по работе со стеком мы записали, вызываем.
Посмотрим код:

Вернемся к тому, почему же в функцию мы передавали указатель на указатель вершины. Дело в том, что если бы мы ввели в функцию только указатель на вершину, то «Стек» создавался и изменялся только внутри функции, в главной функции вершина бы как была, так и оставалась NULL. Передавая указатель на указатель мы изменяем вершину *top в главной функции. Получается если функция изменяет стек, нужно передавать в нее вершину указателем на указатель, так у нас было в функции s_push,s_delete_key. В функции s_print «Стек» не должен изменяться, поэтому мы передаем просто указатель на вершину.
Вместо цифр 1,2,3,4,5 можно так-же использовать переменные типа int.

Заключение

Полный код программы:

Так как в стек элементы постоянно добавляются на вершину, выводиться элементы будут в обратном порядке

В заключение хотелось бы поблагодарить за уделенное моей статье время, я очень надеюсь что данный материал помог некоторым начинающим программистам понять, что такое «Стек», как им пользоваться и в дальнейшем у них больше не возникнет проблем. Пишите в комментариях свое мнение, а так же о том, как мне улучшить свои статьи в будущем. Спасибо за внимание.

Источник

Стековые языки программирования

Функциональное программирование снова в моде. В зависимости от того, предпочитаете ли вы классику или хардкор, страдаете от навязанных промышленных стандартов или вы просто хипстер, вашим любимым предпочтением может быть Scala, Haskell, F# или даже старый добрый Lisp. Такие сочетания слов, как функция высшего порядка, отсутствие побочных эффектов, и даже монады, ласкают слух всех «неокрепших юных умов», будь-то ребят из JetBrains или студента, впервые увидевшего SICP.

Но существует и другое программирование, в буквальном смысле даже ещё более функциональное, в основе своей имеющее скорее не лямбда-исчисление, а композицию функций. И я хочу о нём немного рассказать.

Что такое конкатенативное программирование

Стековые языки живы и существуют. Благодаря быстродействию и легковесности трансляторов они применяются и в реальном мире. JVM, самая, пожалуй, распространенная виртуальная машина в мире; CPython, ещё одна стековая виртуальная машина[2], которая используется во множестве высоконагруженных проектов, таких как Youtube и BitTorrent; в языке PostScript, использующийся сейчас в высокопроизводительных топовых принтерах, наконец, старый добрый Forth, до сих пор встречающийся для программирования микроконтроллеров и встроенных систем. Все они по-своему замечательны, но стоит заметить, что хотя общие принципы схожи, но по большому счёту речь пойдет о языках более высокого уровня, таких как Faсtor, Joy или Cat.

Функции

В конкатенативных языках всё является функцией, но для сравнения с остальными языками посмотрим на пример функции возведения в квадрат с определением. Непоколебимый императивный С:

Функциональный Scheme:

Конкатенативный Joy:

Конкатенативный Factor:

Конкатенативный Cat:

В конкатенативных языках не используются (точнее не рекомендуется, но если очень хочется, то можно) переменных и лямбд, и этот факт делает его довольно лаконичным. Вместо апликативного подхода здесь композиция, записанная в постфиксной (обратной Польской) нотации, что соответствует последовательности данных, с которыми мы работаем в стеке, а значит в некотором роде облегчает чтение стекового кода. Посмотрим на два примера. Первый, это обычный Hello world, выглядящий в этой нотации несколько непривычно:

Мы кладём в стек строку «Hello World», а затем функцией print извлекаем элемент с вершины стека и выводим его на экран.

Здесь используется операции над цитатами, о которых будет сказано чуть позже, но довольно очевидно, что в стек кладется 10 и цитата, а times выполняет код из цитаты указанное количество раз. Код внутри цитаты просто последовательно кладет в стек две строки, затем соединяет их и выводит на экран.

Цитаты и комбинаторы.

Возможность брать куски кода в цитаты ([ ]), дает возможность писать собственные управляющие конструкции. Цитаты — это функции, которые возвращают содержимое процитированного выражения. Функция цитирования в таком случае будет следующего типа.

Например, запись [5] в квадратных скобках возвратит не само число 5 целого типа, а его цитату. Понятнее, когда речь идет о выражении, например о [5 6 +]. Без цитирования произойдет вычисление числа 11 и помещение его в стек, цитирование же поместит в стек само выражение 5 6 +, с которым можно взаимодействовать многими разными способами.
Комбинаторы это функции, которые ожидают одну или несколько цитат из стека и применяет их особым образом к остальному стеку.

По сути цитаты — это обычные списки. Их можно соединять с другими цитатами, производить различные манипуляции в стеке, а затем применять с помощью разных комбинаторов. Например, комбинатор fold сворачивает список в значение, пример суммирующий элементы списка (Joy):

Быстрая сортировка с рекурсивным комбинатором binrec в Joy:

Ничего не мешает реализовать монады как в Factor и да, Faсtor, например, умеет оптимизировать хвостовую рекурсию.

Управляющие конструкции.

Благодаря цитированию и комбинаторам можно использовать текущие или создавать собственные управляющие конструкции. Пример для if (Factor):

Чтобы понять как это работает, рекомендую освежить знания по определению булевых функций в лямбда-исчислении. Чуть более сложный пример на Factor:

Функция определяет знак числа. if оперирует двумя цитатами, выделенными квадратными скобками и находящихся в стеке выше, чем выражение dup 0 [4] ) и, как и многие концептуальные различия между подходами, парадигмами и платформами в конце концов быть всего лишь делом вкуса. При условии адекватного подбора инструмента под задачу. Именно поэтому Forth используется во встроенных системах, его транслятор очень легко реализовать и он будет очень небольшого размера.

Я надеюсь кто-нибудь открыл для себя что-то новое. Лично я воодушевился текстом «Почему конкатенативное программирование важно́» [5] и теперь уже несколько дней не могу оторваться от этой темы, и даже будучи в сонном состоянии могу много-много раз произнести слово «конкатенативный».

Источник

Стековый язык

Стековый язык программирования (англ. stack-oriented programming language ) — это язык программирования, в котором для передачи параметров используется машинная модель стека. Этому описанию соответствует несколько языков, в первую очередь Forth и PostScript, а также многие ассемблерные языки (использующие эту модель на низком уровне — Java, C#). При использовании стека, в качестве основного канала передачи параметров между словами, элементы языка, естественным образом, образуют фразы (последовательное сцепление). Это свойство сближает данные языки с естественными языками.

Выполнение программы в стековом языке программирования представляет собой операции на одном или нескольких стеках, которые могут иметь различное предназначение. Вследствие этого программные конструкции других языков программирования должны быть изменены, прежде чем они могут быть использованы в стековом языке. Cтековые языки программирования используют так называемую «обратную польскую» нотацию (англ. RPN, reverse polish notation ), или постфиксную нотацию, в которой аргументы или параметры команды должны быть записаны перед самой командой. Например, в обратной польской нотации операция сложения записывается как «2 3 +», а не «+ 2 3» (префиксная или «польская» нотация) или «2 + 3» (инфиксная нотация). Это позволяет использовать, в полной мере, стековые языки при ограниченных аппаратных ресурсах памяти в контроллерах встроенных систем.

См. также

Ссылки

Это заготовка статьи о компьютерах. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её. Это примечание по возможности следует заменить более точным.

Полезное

Смотреть что такое «Стековый язык» в других словарях:

Стековый кадр — (англ. stack frame) механизм передачи аргументов и выделения временной памяти (в процедурах языков программирования высокого уровня) с использованием системного стека. Содержание 1 Технология 1.1 Передача аргументов … Википедия

Factor (язык программирования) — Factor Класс языка: Конкатенативный язык программирования Появился в: 2003 Автор(ы): Слава Пестов Релиз: 0.95 ( … Википедия

Cat (язык программирования) — У этого термина существуют и другие значения, см. Cat (значения). Cat Класс языка: Конкатенативный язык программирования Появился в: 2006[1] Автор(ы) … Википедия

Конкатенативный язык программирования — Конкатенативные или стековые языки программирования основаны на том, что конкатенация двух фрагментов кода выражает их композицию. Эти языки используют стек для хранения аргументов и возвращаемых значений операций. Самый распространённый… … Википедия

Joy (язык программирования) — Joy Класс языка: мультипарадигменный: функциональный, конкатенативный, стековый Появился в: 2001 Автор(ы): Manfred von Thun Типизация данных: сильная, динамическая … Википедия

PostScript — Класс языка: мультипарадигменный, стековый, процедурный Появился в: 1982 Автор(ы): Джон Уорнок, Чарльз Гешке Релиз: PostScript 3 (1997) Типизация данных … Википедия

Постскрипт — PostScript (Постскрипт) язык описания страниц, в основном используемый в настольных издательских системах. Содержание 1 Идеология 2 История 3 Область применения 4 Язык … Википедия

FALSE — FALSE эзотерический язык программирования, созданный в 1993 году Wouter van Oortmerssen ом с двумя, по его словам, целями: чтобы можно было написать компилятор для него размером не более одного килобайта. придумать синтаксис, который бы… … Википедия

Стек — Простое представление стека У этого термина существуют и другие значения, см. Стек (значения). Стек (англ. stack стоп … Википедия

Стек вызовов — (от англ. call stack; применительно к процессорам просто «стек») в теории вычислительных систем, LIFO стек, хранящий информацию для возврата управления из подпрограмм (процедур) в программу (или подпрограмму, при вложенных или… … Википедия

Источник

Принципы программирования: стек и куча: что это такое?

С каждым годом мы применяем для программирования всё более продвинутые языки, позволяющие писать меньше кода, но получать нужные нам результаты. Однако всё это не проходит даром для разработчиков. Так как программисты всё реже занимаются низкоуровневыми вещами, уже никого не удивляет ситуация, когда разработчик не вполне понимает, что означают такие понятия, как куча и стек. Что это такое, как происходит компиляция на самом деле, в чём разница между динамической и статической типизацией.

К сожалению, некоторые программисты, даже будучи «джуниорами» и работая на реальных проектах, не совсем чётко ориентируются в таких, казалось бы, олдскульных вещах. Именно поэтому в нашей сегодняшней статье мы вспомним, что же это такое — стек и куча, для чего они нужны и где применяются. Несмотря на то, что и стек, и куча связаны с управлением памятью, стратегия и принципы управления кардинально различаются.

Стек — что это такое?

Большое число задач, связанных с обработкой информации, поддаются типизированному решению. В результате совсем неудивительно, что многие из них решаются с помощью специально придуманных методов, терминов и описаний. Среди них нередко можно услышать и такое слово, как стек (стэк). Хоть и звучит этот термин, на первый взгляд, странно и даже сложно, всё намного проще, чем кажется.

Стек и простой жизненный пример

Представьте, что на столе в коробке лежит стопка бумажных листов. Чтобы получить доступ к самому нижнему листу, вам нужно достать самый первый лист, потом второй и так далее, пока не доберётесь до последнего. По схожему принципу и устроен стек: чтобы последний элемент стека стал верхним, нужно сначала вытащить все остальные.

Стек и особенности его работы

Перейдя к компьютерной терминологии, скажем, что стек — это область оперативной памяти, создаваемая для каждого потока. И последний добавленный в стек кусочек памяти и будет первым в очереди, то есть первым на вывод из стека. И каждый раз, когда функцией объявляется переменная, она, прежде всего, добавляется в стек. А когда данная переменная пропадает из нашей области видимости (к примеру, функция заканчивается), эта самая переменная автоматически удаляется из стека. При этом если стековая переменная освобождается, то и область памяти, в свою очередь, становится доступной и свободной для других стековых переменных.

Благодаря природе, которую имеет стек, управление памятью становится весьма простым и логичным для выполнения на центральном процессоре. Это повышает скорость и быстродействие ЦП, и в особенности такое происходит потому, что время цикла обновления байта весьма незначительно (данный байт, скорее всего, привязан к кэшу центрального процессора).

Тем не менее у данной довольно строгой формы управления имеются и свои недостатки. Например, размер стека — это величина фиксированная, в результате чего при превышении лимита памяти, выделенной на стеке, произойдёт переполнение стека. Как правило, размер задаётся во время создания потока, плюс у каждой переменной имеется максимальный размер, который зависит от типа данных. Всё это позволяет ограничивать размеры некоторых переменных (допустим, целочисленных).

Кроме того, это вынуждает объявлять размер более сложных типов данных (к примеру, массивов) заранее, так как стек не позволит потом изменить его. Вдобавок ко всему, переменные, которые расположены на стеке, являются всегда локальными.

Для чего нужен стек?

Главное предназначение стека — решение типовых задач, предусматривающих поддержку последовательности состояний или связанных с инверсионным представлением данных. В компьютерной отрасли стек применяется в аппаратных устройствах (например, в центральном процессоре, как уже было упомянуто выше).

Практически каждый, кто занимался программированием, знает, что без стека невозможна рекурсия, так как при любом повторном входе в функцию требуется сохранение текущего состояния на вершине, причём при каждом выходе из функции, нужно быстро восстанавливать это состояние (как раз наша последовательность LIFO).

Если же копнуть глубже, то можно сказать, что, по сути, весь подход к запуску и выполнению приложений устроен на принципах стека. Не секрет, что прежде чем каждая следующая программа, запущенная из основной, будет выполняться, состояние предыдущей занесётся в стек, чтобы, когда следующая запущенная подпрограмма закончит выполняться, предыдущее приложение продолжило работу с места остановки.

Стеки и операции стека

Если говорить об основных операциях, то стек имеет таковых две: 1. Push — ни что иное, как добавление элемента непосредственно в вершину стека. 2. Pop — извлечение из стека верхнего элемента.

Также, используя стек, иногда выполняют чтение верхнего элемента, не выполняя его извлечение. Для этого предназначена операция peek.

Как организуется стек?

Когда программисты организуют или реализуют стек, они применяют два варианта: 1. Используя массив и переменную, указывающую на ячейку вершины стека. 2. Используя связанные списки.

У этих двух вариантов реализации стека есть и плюсы, и минусы. К примеру, связанные списки считаются более безопасными в плане применения, ведь каждый добавляемый элемент располагается в динамически созданной структуре (раз нет проблем с числом элементов, значит, отсутствуют дырки в безопасности, позволяющие свободно перемещаться в памяти программного приложения). Однако с точки зрения хранения и скорости применения связанные списки не столь эффективны, так как, во-первых, требуют дополнительного места для хранения указателей, во-вторых, разбросаны в памяти и не расположены друг за другом, если сравнивать с массивами.

Подытожим: стек позволяет управлять памятью более эффективно. Однако помните, что если вам потребуется использовать глобальные переменные либо динамические структуры данных, то лучше обратить своё внимание на кучу.

Стек и куча

Куча — хранилище памяти, расположенное в ОЗУ. Оно допускает динамическое выделение памяти и работает не так, как стек. По сути, речь идёт о простом складе для ваших переменных. Когда вы выделяете здесь участок памяти для хранения, к ней можно обращаться как в потоке, так и во всём приложении в целом (именно так и определяются переменные глобального типа). По завершении работы приложения все выделенные участки освобождаются.

Размер кучи задаётся во время запуска приложения, однако, в отличие от того, как работает стек, в куче размер ограничен только физически, что позволяет создавать переменные динамического типа.

Если сравнивать, опять же, с тем, как работает стек, то куча функционирует медленнее, т. к. переменные разбросаны по памяти, а не находятся вверху стека. Тем не менее данный факт не уменьшает важности кучи, и если вам надо работать с глобальными либо динамическими переменными, она больше подходит. Однако управлять памятью тогда должен программист либо сборщик мусора.

Итак, теперь вы знаете и что такое стек, и что такое куча. Это довольно простые знания, больше подходящие для новичков. Если же вас интересуют более серьёзные профессиональные навыки, выбирайте нужный вам курс по программированию в OTUS!

Источник