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.

Итак, стек — это метод представления однотипных данных в порядке LIFO (Last In — First Out, то бишь, «первый вошел — последний вышел»). Некоторые ассоциируют стек с оружейным магазином для патронов, так как принцип работы схож, и первый вставленный в магазин патрон будет использоваться в последнюю очередь (у термина стек бывают и другие значения, поэтому, если речь идёт не об информационных технологиях, то смысл лучше уточнить).

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!