写点什么

LIFO 后进先出、函数调用的堆与栈的区别

  • 2024-12-06
    北京
  • 本文字数:2333 字

    阅读完需:约 8 分钟

全面解析软件测试开发:人工智能测试、自动化测试、性能测试、测试左移、测试右移到DevOps如何驱动持续交付 

在计算机科学中,LIFO(后进先出) 是一种数据存取规则,它在多个领域中得到了广泛应用,尤其是在函数调用和内存管理中。为了更好地理解 LIFO 如何影响程序的执行,我们需要了解 堆(Heap) 和 栈(Stack) 这两种基本的内存结构,以及它们在程序中的作用和区别。

本文将深入探讨 LIFO(后进先出) 原则、函数调用过程中栈和堆的作用,以及它们在内存管理中的具体区别。

1. LIFO(后进先出)概念

LIFO 是一种数据存储和访问策略,意思是“后进的先出”,即最新加入的元素最先被取出。在 LIFO 结构中,数据的插入和删除操作只发生在一个端点,这个端点称为栈顶(Top)。栈是一种典型的 LIFO 结构。

  • 后进先出:即元素最后一次进入栈的顺序会最先被访问。

  • 与 FIFO(先进先出)区别:FIFO 中最先进入的元素会最先被访问,而 LIFO 恰好相反。

1.1 LIFO 的应用实例

  • 浏览器历史记录:当你浏览网页时,历史记录是按照访问顺序存储的,但你后退时会先访问最近的页面,这符合 LIFO 原则。

  • 撤销操作:在许多软件中,撤销(Undo)操作通常遵循 LIFO 原则,最后执行的操作会最先被撤销。


2. 栈(Stack)与堆(Heap)的基本概念

在程序运行时,内存通常分为  和  两个区域。这两者在内存分配、管理和数据存取方式上存在本质的区别。

2.1 栈(Stack)

栈是遵循 LIFO 原则的数据结构,它用于存储函数调用的上下文(如局部变量、返回地址等)以及函数调用的状态信息。

栈的特点

  • 自动管理:栈内存由编译器自动分配和释放,程序员不需要手动管理。

  • 空间有限:栈的大小是有限的,通常由操作系统或编译器设置,因此在递归调用时,过多的栈空间使用可能导致栈溢出

  • 快速:栈内存分配和释放速度非常快,因为栈是连续的内存区域。

  • LIFO 结构:栈的操作遵循 LIFO 原则,最后压入栈的元素会最先被弹出。

栈的应用

  • 函数调用管理:每当程序调用一个函数时,栈上会压入该函数的调用信息(如局部变量、返回地址等),并在函数执行完毕后弹出。

  • 递归调用:每一次递归调用都会在栈上创建一个新的栈帧,直到递归结束。

栈的示例

在下面的 Python 示例中,栈用于管理函数调用和返回地址:

def foo():    x = 10    y = 20    return x + y
def bar(): a = 5 return foo() + a
bar()
复制代码

在执行 bar() 时,栈会按以下顺序进行管理:

  1. bar() 被调用,栈压入 bar 的信息(局部变量 a)。

  2. bar() 调用 foo(),栈再压入 foo 的信息(局部变量 x 和 y)。

  3. foo() 执行完毕,栈弹出 foo 的信息,返回结果给 bar

  4. bar() 执行完毕,栈弹出 bar 的信息。

2.2 堆(Heap)

堆是用于动态内存分配的区域,它允许程序在运行时动态地分配和释放内存空间。堆的内存管理通常由程序员控制(如通过 mallocfree 在 C 中,或通过垃圾回收机制在 Java 和 Python 中)。

堆的特点

  • 手动管理(在一些语言中):在许多编程语言中(如 C、C++),堆内存需要程序员手动分配和释放。在现代语言中,如 Java 和 Python,垃圾回收机制会自动管理堆内存。

  • 空间不固定:堆内存的大小通常不固定,可以根据需要动态分配。

  • 较慢的内存访问速度:相较于栈,堆的分配和释放较为复杂,因此访问速度较慢。

  • 无 LIFO 结构:堆没有遵循 LIFO 原则,它采用随机的内存分配方式,内存的释放顺序与分配顺序无关。

堆的应用

  • 动态内存分配:在需要存储大量数据时,特别是在运行时无法预知数据大小的情况下,堆提供了灵活的内存分配方式。

  • 对象存储:在许多面向对象的编程语言中,堆用于存储对象。比如,在 Java 中创建对象时,内存通常来自堆。

堆的示例

以下是一个简单的 Python 示例,展示了如何在堆上创建对象:

class Person:    def __init__(self, name):        self.name = name
person1 = Person("Alice")person2 = Person("Bob")

复制代码

在这个示例中,person1 和 person2 是动态分配在堆上的对象,程序员无需关心内存分配和回收的细节,Python 的垃圾回收机制会自动管理这些对象的生命周期。


3. 堆与栈的区别

3.1 内存分配方式

  • :栈是由编译器自动管理的,内存的分配和释放速度非常快。每次函数调用时,栈会分配一个新的栈帧,当函数返回时,栈帧会自动销毁。

  • :堆内存由程序员动态分配,释放的时机较为灵活,因此可能会导致内存泄漏或堆溢出(如果程序员没有正确释放内存)。

3.2 访问速度

  • :栈的访问速度非常快,因为栈的操作遵循 LIFO 原则,数据的入栈和出栈是连续且局部的,效率较高。

  • :堆的内存分配和释放相对较慢,因为堆内存的管理更为复杂,且可能存在碎片化问题。

3.3 内存管理

  • :栈是由编译器自动管理的,程序员不需要关心栈的分配和释放。

  • :堆内存管理需要程序员手动控制(或者依赖垃圾回收机制)。在某些编程语言中,堆上的内存可能会因为未及时释放而导致内存泄漏。

3.4 大小限制

  • :栈的大小通常较小,由操作系统限制,容易因递归过深或局部变量过多导致栈溢出。

  • :堆的大小相对较大,且可以动态扩展,但如果频繁分配和释放内存,可能会导致内存碎片化。

3.5 数据存储位置

  • :栈用于存储局部变量、函数调用的返回地址等信息。

  • :堆用于存储动态分配的对象和数据(如数组、结构体等)。


4. 总结

  • LIFO 原则:LIFO(后进先出)是栈的基本特性,它决定了栈的操作顺序,即最后压入栈的元素最先被访问。

  • 栈与堆的区别 是由编译器自动管理的、快速的内存区域,适用于存储函数调用的局部变量和递归数据,遵循 LIFO 原则。 是由程序员动态管理的、较为复杂的内存区域,适用于存储动态分配的数据对象,不遵循 LIFO 原则。


理解栈和堆的区别以及它们在函数调用和内存管理中的作用,可以帮助我们在编写高效、稳定的程序时做出更加合适的内存管理决策。


用户头像

社区:ceshiren.com 微信:ceshiren2023 2022-08-29 加入

微信公众号:霍格沃兹测试开发 提供性能测试、自动化测试、测试开发等资料、实事更新一线互联网大厂测试岗位内推需求,共享测试行业动态及资讯,更可零距离接触众多业内大佬

评论

发布
暂无评论
LIFO 后进先出、函数调用的堆与栈的区别_测试_测吧(北京)科技有限公司_InfoQ写作社区