В этой статье мы подробно расскажем о том, что такое стек, рассмотрим примеры его использования и поговорим о том, когда и как его лучше использовать.
Что такое стек
Стек — это определенный способ размещения данных в памяти компьютера, который использует для своей работы принцип «Last In First Out». То есть данные, которые были помещены в память последними при извлечении, покидают хранилище первыми. Сокращенно этот принцип называют LIFO. Особенностью является тот факт, что извлекать данные из стека можно только «сверху» — других способов нет.
Различают стеки данных и стеки вызовов. Стек вызовов — это специальная область памяти, в которой хранятся данные о точках перехода между фрагментами кода. А стек данных — это область памяти, в которой расположены данные о фрагментах кода.
Как работает стек
Стоит рассмотреть подробнее особенности работы стека, поскольку это позволит понять, для чего он может использоваться в программировании. Стек данных может иметь несколько основных типов реализации.
- На массиве фиксированной длины. В основе такого типа реализации лежит цепь из элементов заранее заданного размера. При этом новые элементы стека присоединяются к последнему. Такая реализация подвержена риску переполнения, и в результате случается сбой.
- На динамическом массиве. Под такую реализацию выделяется новый участок памяти большего размера, что позволяет избежать переполнения стека и сбоя в программе. Такой вариант сейчас является одним из самых популярных.
Различают несколько основных типов стеков в зависимости от реализации: стек данных и стек вызовов. Рассмотрим их ключевые особенности подробнее.
Стек вызовов
Это специальное место в памяти компьютера, где хранится информация о точках перехода между фрагментами кода. Такой стек используется в тех случаях, если компьютеру нужно выполнить подпрограмму или функцию, расположенную внутри конкретной программы, выполняющейся в данный момент. Стек вызовов позволяет компьютеру «не забыть», на каком именно месте прервалось выполнение кода основной программы, чтобы по выполнении встроенной функции можно было бы вернуться в то самое место.
Стек данных
Он работает по тому же принципу, что и стек вызовов, но образно представляет собой одну большую переменную, больше похожую на массив данных или список. Стек данных используется в тех случаях, если нужно работать с другими сложными типами данных. Однако чаще всего используется именно стек вызовов.
Области применения стека в программировании
Стек активно используется в программировании для решения множества задач. Благодаря своей структуре «последним пришел — первым вышел» (LIFO), стек находит применение в различных областях.
1. Управление памятью
Одним из ключевых применений стека является хранение адресов возврата при вызове функций. В процессе выполнения программы стек используется для хранения локальных переменных, параметров функции и адресов возврата, что делает его важной частью механизма управления памятью.
2. Обратный порядок операций
В языках программирования стек применяется для реализации механизма отмены действий (undo). Например, в текстовых редакторах при отмене последнего действия программа использует стек, чтобы восстанавливать предыдущее состояние.
3. Рекурсия
Стек используется для отслеживания вызовов функций при рекурсивных алгоритмах. Когда функция вызывает саму себя, стек помогает сохранять контекст вызова каждой функции и возвращаться к предыдущему состоянию по завершении рекурсивного вызова.
4. Арифметические выражения
В некоторых алгоритмах парсинга выражений (например, обратная польская нотация) стек используется для хранения промежуточных результатов и выполнения операций в правильном порядке.
5. Алгоритмы поиска и обхода графов
Стек применяют в алгоритмах поиска в глубину (DFS). Здесь он служит для запоминания узлов графа, которые нужно посетить. По мере прохождения графа, узлы добавляются и извлекаются из стека.
6. Обратная трассировка (backtracking)
В задачах поиска с возвратом, таких, как решение головоломок или задачи с оптимизацией, стек используется для хранения состояний, к которым программа может вернуться при необходимости.
7. Разбор выражений и грамматик
В компиляторах и интерпретаторах стек помогает анализировать синтаксические структуры, такие, как скобки или операторы, обеспечивая корректную обработку выражений и их выполнение.
Переполнение стека: почему оно происходит и чем грозит
Переполнение стека — это ошибка, возникающая, когда программа пытается использовать больше памяти стека, чем было выделено операционной системой. Стек, как структура данных, имеет ограниченный размер, который зависит от конфигурации системы и конкретной программы. Когда это ограничение превышается, возникает «stack overflow» — переполнение стека, что приводит к сбою программы.
Причины переполнения стека:
- одной из наиболее распространенных причин переполнения стека является рекурсивный вызов функции, который не имеет корректной остановки. Каждый новый рекурсивный вызов добавляет в стек новый кадр (frame) функции. Если условие выхода не срабатывает или вообще отсутствует, функция продолжает вызывать саму себя, заполняя стек до его предела;
- даже если рекурсия ограничена и имеет условие выхода, при слишком большом количестве рекурсивных вызовов стек может переполниться. Это особенно актуально для алгоритмов, работающих с большими объемами данных (например, вычисление факториала для очень больших чисел или глубокий обход деревьев и графов);
- избыточное использование памяти на стеке. Локальные переменные функций и параметры передаются через стек. Если функции используют слишком много локальных переменных или массивов, это также может привести к переполнению стека. В отличие от динамической памяти, стек имеет жесткие ограничения по объему.
Чем грозит переполнение стека:
- переполнение стека приводит к немедленному завершению работы программы, так как система не может выделить больше памяти для выполнения операций. Часто это сопровождается сообщениями об ошибке, такими, как «Stack Overflow» или «Segmentation Fault», которые сигнализируют о некорректной работе программы;
- уязвимости в безопасности. В некоторых случаях переполнение стека может стать причиной серьезных проблем безопасности. Например, в классических атаках с использованием переполнения стека злоумышленники могут вставить в стек вредоносный код и заставить программу его выполнить. Это называется «буферная атака переполнения стека» (stack buffer overflow) и является одной из распространенных уязвимостей;
- непредсказуемое поведение программы. В случае переполнения стека программа может начать вести себя некорректно, например, обращаться к неправильным адресам памяти, что приводит к повреждению данных или некорректным вычислениям.
Какие бывают реализации стека
Реализации стека могут быть различными в зависимости от конкретной задачи и языка программирования. Основные способы реализации стека можно разделить на два типа: с использованием массивов и с использованием связанных списков.
1. Стек на основе массива
Одной из самых распространенных реализаций стека является использование массива. В этом случае стек представлен как фиксированный или динамический массив, где элементы добавляются и извлекаются с одного конца.
Массив, который используется для реализации стека, обычно имеет ограниченный размер, заданный заранее. Это может стать ограничением, если стек требует больше памяти, чем было выделено.
Доступ к элементам по индексу в массиве осуществляется за постоянное время (O (1)), что делает такую реализацию стека быстрой и эффективной при работе с малым объемом данных.
2. Стек на основе связанного списка
Стек на основе связанного списка не имеет фиксированного размера, и его объем может динамически изменяться в зависимости от необходимости. Это позволяет избежать переполнения стека, которое может возникнуть при реализации на основе массива.
В отличие от реализации на основе массива, память для нового элемента выделяется динамически в момент добавления (push), а освобождается при удалении (pop).
Хотя стек на основе связанного списка обеспечивает большую гибкость, его реализация более сложная, так как требует управления указателями и динамической памятью.
3. Стек с использованием двух очередей
Одной из интересных альтернативных реализаций стека является использование двух очередей. В этой реализации операции добавления (push) и удаления (pop) элементов реализуются через манипуляции с двумя очередями, которые обеспечивают работу по принципу LIFO.
Элементы при добавлении распределяются между двумя очередями таким образом, чтобы последний элемент оказался первым на удаление.
Время выполнения операций зависит от порядка использования очередей.
4. Реализация стека с использованием двух стеков
Этот подход представляет собой реализацию стека на основе двух других стеков. Один стек используется для хранения элементов, а второй — для временного перемещения элементов при выполнении операций.
В этой модели добавление и удаление элементов осуществляется через перенос данных между двумя стековыми структурами.
Операции могут быть медленнее по сравнению с классическими реализациями из-за необходимости перемещения элементов.
5. Дек с функциями стека
Дек (двусторонняя очередь) также может быть использован для реализации стека, поскольку он поддерживает операции добавления и удаления элементов как с начала, так и с конца. Если ограничиться только одной стороной, то дек может работать как стек.
Дек поддерживает более гибкие операции по сравнению с классическим стеком, что может быть полезно в определенных сценариях.
Возможность использовать как LIFO, так и FIFO подходы в зависимости от конкретной задачи.
Комментарий эксперта
Специально для Hi-Tech Mail подробнее о стек рассказал Владимир Пантелеев, основатель PulsePC.
Для чего нужен стек
Представьте стопку тарелок — вы кладете одну на другую, а когда нужно взять — берете верхнюю. Компьютер делает то же самое: стек — это такая внутренняя «памятка», куда он кладет данные, которые нужны на время. Например, когда запускается функция в программе, её временные данные кладутся в стек. Как только функция закончилась — данные убираются.
Простой пример:
def A ():
B ()
def B ():
C ()
Пока работает C (), в стеке хранятся B () и A ().
Где применяется стек
Почти везде. Каждый раз, когда вы открываете вкладку в браузере, запускаете приложение, или компьютер «прыгает» между разными задачами, он использует стек. Это основа работы программ и операционных систем. Простой пример — кнопка «Назад» в браузере работает по принципу стека: возвращает на последнюю просмотренную страницу.
Насколько опасно переполнение стека для компьютера
Если коротко — это плохо. Когда в стек кладется больше данных, чем он может удержать, происходит «переполнение». Это может привести к сбою программы или, в худшем случае, дать возможность хакерам вмешаться. Но не пугайтесь — современные системы защищаются от этого, а вы как пользователь в обычной жизни с этим почти не сталкиваетесь, разумеется, если следите за обновлениями ОС и антивирусных баз.
Главное о стеке
Подведем итоги и выделим, что необходимо запомнить о стеке и особенностях его использования в программировании.
- Стек — это специальная область в памяти компьютера, которая использует принцип LIFO и активно применяется для обеспечения нормального функционирования программ со сложными функциями;
- Различают стеки данных и стеки вызовов: стек вызовов — это специальная область памяти, в которой хранятся данные о точках перехода между фрагментами кода, а стек данных — это область памяти, в которой расположены данные о фрагментах кода.
- В программировании стеки применяют в управлении памятью, в рекурсии, в арифметических выражениях, в алгоритмах поиска и обхода и так далее.
- Переполнение стека может привести к негативным последствиям: например, к немедленному завершению работы программы с потерей всех данных.
