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  • 队列、堆的区别与联系并用Python实现 1. 引言 我们先来谈一谈线性表,毕竟(堆栈)队列是两种操作受限的线性表,堆就是树了。 线性表: 线性表是一种线性结构,它是一个含有n≥0个结点的有限序列,同一个...

    队列、栈、堆的区别与联系并用Python实现


    1. 引言

    我们先来谈一谈线性表,毕竟栈(堆栈)和队列是两种操作受限的线性表,堆就是树了。

    线性表:

    线性表是一种线性结构,它是一个含有n≥0个结点的有限序列,同一个线性表中数据元素类型相同并且满足“一对一”的逻辑关系。

    “一对一”的逻辑关系是指:

    • 对于其中的结点,有且仅有一个开始结点没有前驱&但有一个后继结点
    • 有且仅有一个终端结点没有后继&但有一个前驱节点
    • 其余所有的结点都有且仅有一个前驱和后继

    2. 队列和栈

    2.1 原理和特点

    队列和栈都是线性结构,队列(stack)为先进后出,栈(queue)为先进后出,我们通过它们的结构来看一下:

    image-20210116041318705 image-20210116041400738
    • 栈的插入和删除操作只允许在尾端进行,栈中称为:栈顶,也满足FIFO(First in Last Out)
    • 队列的只允许在队尾插入数据,在队头删除数据,也满足FIFO(First in Last Out)

    image-20210116043712880

    2.2 实现

    2.2.1 栈的实现一:列表

    List列表是Python中的基础数据结构,我们可以使用List的append()pop()方法来模拟入栈、出栈操作。

    stack = []  # 模拟一个栈
    # 入栈
    stack.append(2)
    print(stack)
    stack.append(4)
    print(stack)
    stack.append(6)
    print(stack)
    # 查看栈顶元素
    top = stack[-1]
    print('栈顶元素为:{}'.format(top))
    # 出栈
    for i in range(len(stack)):
        t = stack.pop()
        print('出栈元素为:',t)
        if not stack:
            print('此时栈为:[空]')
        else:
            print('此时栈中还有 {} 个元素'.format(len(stack)))
    # 输出
    [2]
    [2, 4]
    [2, 4, 6]
    栈顶元素为:6
    出栈元素为: 6
    此时栈中还有 2 个元素
    出栈元素为: 4
    此时栈中还有 1 个元素
    出栈元素为: 2
    此时栈为:[]
    

    入栈顺序为2、4、6,出栈顺序为6、4、2,符合栈的特性:先入后出。

    2.2.2 栈的实现二:双向队列

    Python中的内置模块collections中包含了双向队列deque的数据类型,可以在队列的左端和右端实现入队和出队。

    from collections import deque
    stack = deque()  # 模拟一个栈
    # 入栈
    stack.append(2)
    print(stack)
    stack.append(4)
    print(stack)
    stack.append(6)
    print(stack)
    # 查看栈顶元素
    top = stack[-1]
    print('栈顶元素为:{}'.format(top))
    # 出栈
    print('栈中元素为:',list(stack))
    for i in range(len(stack)):
        t = stack.pop()
        print('出栈元素为:',t)
        if not stack:
            print('此时栈为:[空]')
        else:
            print('此时栈中还有 {} 个元素'.format(len(stack)))
    # 输出
    deque([2])
    deque([2, 4])
    deque([2, 4, 6])
    栈顶元素为:6
    栈中元素为: [2, 4, 6]
    出栈元素为: 6
    此时栈中还有 2 个元素
    出栈元素为: 4
    此时栈中还有 1 个元素
    出栈元素为: 2
    此时栈为:[]
    

    下面我们再来看看,队列如何实现。

    2.2.3 队列的实现一:列表

    我们只要通过pop(0)方法从表头删除元素就能模拟出队。

    stack = []  # 模拟一个栈
    # 入栈
    stack.append(2)
    print(stack)
    stack.append(4)
    print(stack)
    stack.append(6)
    print(stack)
    # 查看栈顶元素
    top = stack[-1]
    print('栈顶元素为:{}'.format(top))
    # 出栈
    for i in range(len(stack)):
        t = stack.pop(0)
        print('出栈元素为:',t)
        if not stack:
            print('此时栈为:[空]')
        else:
            print('此时栈中还有 {} 个元素'.format(len(stack)))
    # 输出
    [2]
    [2, 4]
    [2, 4, 6]
    栈顶元素为:6
    出栈元素为: 2
    此时栈中还有 2 个元素
    出栈元素为: 4
    此时栈中还有 1 个元素
    出栈元素为: 6
    此时栈为:[]
    

    2.2.4 栈的实现二:deque

    原理同2.2.3中的方法,但是我们这里用到了popleft()方法,既然是双端队列,那么必然不会存在popright()方法。

    from collections import deque
    stack = deque()  # 模拟一个栈
    # 入栈
    stack.append(2)
    print(stack)
    stack.append(4)
    print(stack)
    stack.append(6)
    print(stack)
    # 查看栈顶元素
    top = stack[-1]
    print('栈顶元素为:{}'.format(top))
    # 出栈
    print('栈中元素为:',list(stack))
    for i in range(len(stack)):
        t = stack.popleft()  # 没有popright()方法
        print('出栈元素为:',t)
        if not stack:
            print('此时栈为:[空]')
        else:
            print('此时栈中还有 {} 个元素'.format(len(stack)))
    # 输出
    deque([2])
    deque([2, 4])
    deque([2, 4, 6])
    栈顶元素为:6
    栈中元素为: [2, 4, 6]
    出栈元素为: 2
    此时栈中还有 2 个元素
    出栈元素为: 4
    此时栈中还有 1 个元素
    出栈元素为: 6
    此时栈为:[]
    

    3. 堆

    堆(heap)也被称为优先队列,队列是先进先出的,在队尾插入元素,在队头取出元素,而堆也是一样的,在堆底插入元素,在堆顶取出元素。

    作为二叉树的衍生,有最小堆和最大堆两个概念,我们将根节点最大的堆叫做最大堆或大根堆,根节点最小的堆叫做最小堆或小根堆。

    image-20210116051151988

    如果所示就是一个最大堆或者说是大根堆。

    3.1 实现

    Python中内置了堆的模块heapq直接导入就能够调用。

    最大堆的方法仅供内部使用的方法_heapify_max()

    import heapq
    
    # 列表q
    q = [100,19,36,7,3,25,1,2,17]
    # 对q进行最大堆排序
    heapq._heapify_max(q)
    print('最大堆排序为:',q) # 看看是不是和图片结果相同呢?
    # 对q进行最小堆排序
    heapq.heapify(q)
    print('最小堆排序为:',q)
    # 删除堆顶元素
    a = heapq.heappop(q)
    print('堆顶元素为:',a)
    print('堆排序为:',q)
    # 在堆中加入一个元素num,并对堆进行重排序
    num = 1
    heapq.heappush(q,num)
    print('堆排序为:',q)
    
    #在堆中加入一个元素,保持堆元素数量不变,如果加入的元素大于堆顶元素则删除堆顶元素
    nums = 4
    heapq.heapreplace(q,nums)
    print('堆排序为:',q)
    # 输出
    最大堆排序为: [100, 19, 36, 17, 3, 25, 1, 2, 7]
    最小堆排序为: [1, 2, 25, 7, 3, 100, 36, 17, 19]
    堆顶元素为: 1
    堆排序为: [2, 3, 25, 7, 19, 100, 36, 17]
    堆排序为: [1, 2, 25, 3, 19, 100, 36, 17, 7]
    堆排序为: [2, 3, 25, 4, 19, 100, 36, 17, 7]
    

    4. 吐槽

    每次看很久之前写的博客,总想问问自己之前的脑子为什么这么混乱?写的都是些什么?哈哈哈哈哈

    image-20210116053401469

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  • 栈和堆的区别

    2013-05-20 16:06:00
    2019独角兽企业重金招聘Python工程师标准>>> ...

    关键是 栈 和 堆的区别:

    堆和栈的区别

    一、预备知识—程序的内存分配
    一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分
    1、栈区(stack)— 由编译器自动分配释放 ,存放函数的参数值,局部变量的值等。其
    操作方式类似于数据结构中的栈。
    2、堆区(heap) — 一般由程序员分配释放, 若程序员不释放,程序结束时可能由OS回
    收 。注意它与数据结构中的堆是两回事,分配方式倒是类似于链表,呵呵。
    3、全局区(静态区)(static)—,全局变量和静态变量的存储是放在一块的,初始化的
    全局变量和静态变量在一块区域, 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另
    一块区域。 - 程序结束后由系统释放。
    4、文字常量区 —常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放
    5、程序代码区—存放函数体的二进制代码。


    二、例子程序 
    这是一个前辈写的,非常详细 
    //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); 
    p2 = (char *)malloc(20); 
    分配得来得10和20字节的区域就在堆区。 
    strcpy(p1, "123456"); 123456/0放在常量区,编译器可能会将它与p3所指向的"123456"
    优化成一个地方。 
    }


    二、堆和栈的理论知识 
    2.1申请方式 
    stack: 
    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 
    heap: 
    需要程序员自己申请,并指明大小,在c中malloc函数 
    如p1 = (char *)malloc(10); 
    在C++中用new运算符 
    如p2 = new char[10]; 
    但是注意p1、p2本身是在栈中的。


    2.2 
    申请后系统的响应 
    栈:只要栈的剩余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。 
    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,当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结点链表
    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delete语句才能正确的释放本内存空间。
    另外,由于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。

    2.3申请大小的限制 
    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。 
    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。

     

    2.4申请效率的比较: 
    栈由系统自动分配,速度较快。但程序员是无法控制的。 
    堆是由new分配的内存,一般速度比较慢,而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便. 
    另外,在WINDOWS下,最好的方式是用VirtualAlloc分配内存,他不是在堆,也不是在栈是
    直接在进程的地址空间中保留一块内存,虽然用起来最不方便。但是速度快,也最灵活。
     

    2.5堆和栈中的存储内容 
    栈: 在函数调用时,第一个进栈的是主函数中后的下一条指令(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。 
    堆:一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容由程序员安排。

    2.6存取效率的比较

    char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; 
    char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; 
    aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的; 
    而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的; 
    但是,在以后的存取中,在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。 
    比如: 
    #include 
    void main() 

    char a = 1; 
    char c[] = "1234567890"; 
    char *p ="1234567890"; 
    a = c[1]; 
    a = p[1]; 
    return; 

    对应的汇编代码 
    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 
    第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中,而第二种则要先把指针值读到
    edx中,再根据edx读取字符,显然慢了。


    2.7小结: 
    堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出: 
    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,他的好处是快捷,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。 (经典!) 

    转载于:https://my.oschina.net/mavericsoung/blog/132187

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  • java 的区别

    2015-08-27 17:12:00
    2019独角兽企业重金招聘Python工程师标准>>> ...

    一、java栈

        Java 栈总是和线程关联在一起,每当创建一个线程时,JVM就会为这个线程创建一个对应的Java栈,在这个Java栈中又会含有多个栈(Frames),这些栈帧是与每个方法关联起来的,每个运行一个方法就创建一个栈帧会含有一些“内部变量"(在方法内定义的变量)、"操作栈"和"方法返回值"等信息。

    二、堆

        堆是存储Java 对象的地方,它是JVM管理 Java 对象的核心存储区域,堆是 Java 程序员最应该关心的,因为它是我们的应用程度与内存关系最密切的存储区域。

        每一个存储在堆中的Java 对象都会是这个对象的类的副本,它会复制包括继承自它父类的所有非静态属性。

        堆是被所有 Java 线程所共享的,所以对它的访问需要注意同步问题,方法和对应的属性都需要保证一致性。

    转载于:https://my.oschina.net/lavedream/blog/498220

    展开全文
  • 【ZZ】栈和堆的区别

    2013-09-26 07:57:00
    2019独角兽企业重金招聘Python工程师标准>>> ...

    内存管理基本概念

    C程序内存分配

    1. 程序结构,下面列出C语言可执行程序的基本情况:

    [root@localhost Ctest]# ls test -l     //test为一个可执行程序
    -rwxr-xr-x  1 root root 4868 Mar 26 08:10 test
    [root@localhost Ctest]# file test //此文件基本情况
    test: ELF 32-bit LSB executable, Intel 80386, version 1 (SYSV), 
    for GNU/Linux 2.2.5, dynamically linked (uses shared libs), not stripped
    [root@localhost Ctest]# size test  //此二进制可执行文件结构情况
    //代码区静态数据/全局初始化数据区 未初始化数据区 十进制总和 十六进制总和 文件名
    text   data         bss    dec    hex filename
    906    284          4    1194    4aa test
    可以看出,此可执行程序在存储时(没有调入到内存)分为代码区(text)、数据区(data)和未初始化数据区(bss)3个部分。

    (1)代码区(text segment)。存放CPU执行的机器指令(machine instructions)。通常,代码区是可共享的(即另外的执行程序可以调用它),因为对于频繁被执行的程序,只需要在内存中有一份代码即可。代码区通常是只读的,使其只读的原因是防止程序意外地修改了它的指令。另外,代码区还规划了局部变量的相关信息。

    (2)全局初始化数据区/静态数据区(initialized data segment/data segment)。该区包含了在程序中明确被初始化的全局变量、静态变量(包括全局静态变量和局部静态变量)和常量数据(如字符串常量)。例如,一个不在任何函数内的声明(全局数据):

    int   maxcount = 99;
    使得变量maxcount根据其初始值被存储到初始化数据区中。
    static mincount = 100;
    这声明了一个静态数据,如果是在任何函数体外声明,则表示其为一个全局静态变量,如果在函数体内(局部),则表示一个局部静态变量。另外,如果在函数名前加上static,则表示此函数只能在当前文件中被调用。

    (3)未初始化数据区,BSS区(uninitialized data segment),存入的是全局未初始化变量。BSS这个叫法是根据一个早期的汇编运算符而来,这个汇编运算符标志着一个块的开始。BSS区的数据在程序开始执行之前被内核初始化为0或者空指针(NULL)。例如一个不在任何函数内的声明:

    long sum[1000];
    将变量sum存储到未初始化数据区。

    图3-1所示为可执行代码存储时结构和运行时结构的对照图。一个正在运行着的C编译程序占用的代码分为代码区、初始化数据区、未初始化数据区,堆区和栈区5个部分。

     

    (1)代码区(text segment)。代码区指令根据程序设计流程依次执行,对于顺序指令,则只会执行一次(每个进程),如果反复,则需要使用跳转指令,如果进行递归,则需要借助栈来实现。

    代码区的指令包括操作码和要操作的对象(或对象地址引用)。如果是立即数(即具体的数值,如5),将直接包含在代码中;如果是局部数据,将在栈区分配空间,然后引用该数据地址;如果是BSS区和数据区,在代码中同样将引用该数据地址。

    (2)全局初始化数据区/静态数据区(Data Segment)。只初始化一次。

    (3)未初始化数据区(BSS)。在运行时改变其值。

    (4)栈区(stack)。由编译器自动分配释放,存放函数的参数值、局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。每当一个函数被调用,该函数返回地址和一些关于调用的信息,比如某些寄存器的内容,被存储到栈区。然后这个被调用的函数再为它的自动变量和临时变量在栈区上分配空间,这就是C实现函数递归调用的方法。每执行一次递归函数调用,一个新的栈框架就会被使用,这样这个新实例栈里的变量就不会和该函数的另一个实例栈里面的变量混淆。

    (5)堆区(heap)。用于动态内存分配。堆在内存中位于bss区和栈区之间。一般由程序员分配和释放,若程序员不释放,程序结束时有可能由OS回收。

    之所以分成这么多个区域,主要基于以下考虑:

    一个进程在运行过程中,代码是根据流程依次执行的,只需要访问一次,当然跳转和递归有可能使代码执行很多次,而数据一般都需要访问多次,因此单独开辟空间以方便访问和节约空间。

    临时数据及需要再次使用的代码在运行时放入栈区中,生命周期短。

    全局数据和静态数据有可能在整个程序执行过程中都需要访问,因此单独存储管理。

    堆区由用户自由分配,以便管理。

    下面通过一段简单的代码来看看C程序执行时内存分配情况,相关数据在运行时的位置如注释所述,

    //main.cpp 
    int a = 0;    //a在全局已初始化数据区 
    char *p1;    //p1在BSS区(未初始化全局变量) 
    main() {
    int b;    //b在栈区
    char s[] = "abc"; //s为数组变量,存储在栈区,"abc"为字符串常量,存储在已初始化数据区
    char *p1,p2;  //p1、p2在栈区
    char *p3 = "123456"; //123456\0在已初始化数据区,p3在栈区
    static int c =0;  //C为全局(静态)数据,存在于已初始化数据区,另外,静态数据会自动初始化
    p1 = (char *)malloc(10);//分配得来的10个字节的区域在堆区
    p2 = (char *)malloc(20);//分配得来的20个字节的区域在堆区
    free(p1);
    free(p2);}

    2. 内存分配方式

    在C语言中,对象可以使用静态或动态的方式分配内存空间。

    静态分配:编译器在处理程序源代码时分配。

    动态分配:程序在执行时调用malloc库函数申请分配。

    静态内存分配是在程序执行之前进行的因而效率比较高,而动态内存分配则可以灵活的处理未知数目。

    静态与动态内存分配的主要区别如下:

    静态对象是有名字的变量,可以直接对其进行操作;动态对象是没有名字的名字,需要通过指针间接地对它进行操作。

    静态对象的分配与释放由编译器自动处理;动态对象的分配与释放必须由程序员显示地管理,它通过malloc()和free()两个函数(C++中为new和delete运算符)来完成。
    以下是采用静态分配方式的例子:

    int a=100;

    此行代码指示编译器分配足够的存储区以存放一个整型值,该存储区与名字a相关联,并用数值100初始化该存储区。

    以下是采用动态分配方式的例子。

    p1 = (char *)malloc(10*sizeof(int));//分配得来得10*4字节的区域在堆区

    此行代码分配了10个int类型的对象,然后返回对象在内存中的地址,接着这个地址被用来初始化指针对象p1,对于动态分配的内存唯一的访问方式是通过指针间接地访问,其释放方法为:

    free(p1);

     

    栈和堆的区别:

    栈是由编译器在需要时分配的,不需要时自动清除的变量存储区。里面的变量通常是局部变量、函数参数等。堆是由malloc()函数(C++语言为new运算符)分配的内存块,内存释放由程序员手动控制,在C语言为free函数完成(C++中为delete)。堆和栈的主要区别有以下几点:

    (1)管理方式不同:

    栈编译器自动管理,无需程序员手工控制;而堆空间的申请释放工作由程序员控制,容易产生内存泄露;

    (2)空间大小不同:

    栈是向低地址扩展的数据结构,是一块连续的内存区域。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,当申请的空间超过栈的剩余空间时,将提示溢出。因此,用户能从栈获得的空间较小。

    堆是向高地址扩展的数据结构,是不连续的内存区域。因为系统是用链表来存储空闲内存地址的,且链表的遍历方向是由低地址向高地址。由此可见,堆获得的空间较灵活,也较大。栈中元素都是一一对应的,不会存在一个内存块从栈中间弹出的情况。

    (3)是否产生碎片:

    对于堆来讲,频繁的malloc/free(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(虽然程序在退出后操作系统会对内存进行回收管理)。对于栈来讲,则不会存在这个问题。

    (4)增长方向不同:

    堆的增长方向是向上的,即向着内存地址增加的方向;栈的增长方向是向下的,即向着内存地址减小的方向。

    (5)分配方式不同:

    堆都是程序中由malloc()函数动态申请分配并由free()函数释放的;栈的分配和释放是由编译器完成的,栈的动态分配由alloca()函数完成,但是栈的动态分配和堆是不同的,他的动态分配是由编译器进行申请和释放的,无需手工实现。

    (6)分配效率不同:

    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。堆则是C函数库提供的,它的机制很复杂,例如为了分配一块内存,库函数会按照一定的算法在堆内存中搜索可用的足够大的空间,如果没有足够大的空间(可能是由于内存碎片太多),就有需要操作系统来重新整理内存空间,这样就有机会分到足够大小的内存,然后返回。显然,堆的效率要比栈低很多。

    http://www.cnblogs.com/TonyEwsn/archive/2010/01/29/1659496.html

    转载于:https://my.oschina.net/u/1178546/blog/164252

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