【测试开发八股文】基本数据结构知识

本文详细介绍了堆和栈在数据结构中的概念,以及它们在内存管理中的不同,包括管理方式、空间大小、生长方向、分配方式和效率等方面。特别强调了堆可能导致内存碎片和效率较低的问题,同时提到了栈在函数调用中的关键作用和堆的灵活性局限性。

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数据结构知识(堆、栈、list、set、dict、hash、树、图、队列、链表)

一、堆和栈

堆(Heap)

  • 可以把堆理解为:队列优先,先进先出。
  • 只能在一端(称为栈顶(top))对数据项进行插入和删除。

栈(Stack)

  • 可以把栈理解为:后进先出、先进后出 的列表。
  • 如果说“堆栈”,指的也是“栈”
  • 只能在一端(称为栈顶(top))对数据项进行插入和删除。
  • 元素的添加从列表尾部加入,删除也是从列表尾部删除。对应python中是append()和pop()。

堆(Heap)栈(Stack),在不同场景下代表含义不同,通常有两层含义:

  • 程序内存布局场景下,堆与栈表示的是两种内存管理方式;
  • 数据结构场景下,堆与栈表示两种常用的数据结构。

堆与栈是操作系统对进程占用内存空间的两种管理方式,主要有以下几种区别:

(1)管理方式不同。栈由操作系统自动分配释放,无需我们手动控制;堆的申请和释放工作由程序员控制,容易产生内存泄漏;

(2)空间大小不同。每个进程拥有的栈的大小要远远小于堆的大小。理论上,程序员可申请的堆大小为虚拟内存的大小,进程栈的大小 64bits 的 Windows 默认 1MB,64bits 的 Linux 默认 10MB;

(3)生长方向不同。堆的生长方向向上,内存地址由低到高;栈的生长方向向下,内存地址由高到低。

(4)分配方式不同。堆都是动态分配的,没有静态分配的堆。栈有2种分配方式:静态分配和动态分配。静态分配是由操作系统完成的,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,他的动态分配是由操作系统进行释放,无需我们手工实现。

(5)分配效率不同。栈由操作系统自动分配,会在硬件层级对栈提供支持: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。堆则是由C/C++提供的库函数或运算符来完成申请与管理,实现机制较为复杂,频繁的内存申请容易产生内存碎片。显然,堆的效率比栈要低得多。

(6)存放内容不同。栈存放的内容,函数返回地址、相关参数、局部变量和寄存器内容等。当主函数调用另外一个函数的时候,要对当前函数执行断点进行保存,需要使用栈来实现,首先入栈的是主函数下一条语句的地址,即扩展指针寄存器的内容(EIP),然后是当前栈帧的底部地址,即扩展基址指针寄存器内容(EBP),再然后是被调函数的实参等,一般情况下是按照从右向左的顺序入栈,之后是被调函数的局部变量,注意静态变量是存放在数据段或者BSS段,是不入栈的。出栈的顺序正好相反,最终栈顶指向主函数下一条语句的地址,主程序又从该地址开始执行。堆,一般情况堆顶使用一个字节的空间来存放堆的大小,而堆中具体存放内容是由程序员来填充的。

其他注意点:

  • 堆:容易造成大量内存碎片,可能引发用户态和核心态切换,效率较低。
  • 栈:最常见的是函数的调用过程由栈来实现,函数返回地址、EBP、实参和局部变量都采用栈的方式存放。虽然栈有众多的好处,但是由于和堆相比不是那么灵活,有时候分配大量的内存空间,主要还是用堆。
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