JDK 竟然是這樣實現(xiàn)棧的？
本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「Java中文社群」，作者磊哥 。轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系Java中文社群公眾號。
這正式開始之前，先給大家再解釋一下「堆棧」一詞的含義，因為之前有讀者對這個詞有一定的疑惑。
Stack 翻譯為中文是堆棧的意思，但為了能和 Heap(堆)區(qū)分開，因此我們一般將 Stack 簡稱為棧。因此當(dāng)“堆棧”連在一起時有可能表示的是 Stack，而當(dāng)“堆、棧”中間有分號時，則表示 Heap(堆)和 Stack(棧)，如下圖所示：
JDK 棧的實現(xiàn)
聊會正題，接下來我們來看 JDK 中是如何實現(xiàn)棧的?
在 JDK 中，棧的實現(xiàn)類是 Stack，它的繼承關(guān)系如下圖所示：
Stack 包含的方法如下圖所示：
其中最重要的方法有：
- push：入棧方法(添加數(shù)據(jù));
- pop：出棧并返回當(dāng)前元素(移除數(shù)據(jù));
- peek：查詢棧頂元素。
Stack 實現(xiàn)源碼如下：
- public class Stack<E> extends Vector<E> {
- /**
- * 創(chuàng)建一個空棧
- */
- public Stack() {
- }
- /**
- * 入棧方法，調(diào)用的是 Vector#addElement 的添加方法
- */
- public E push(E item) {
- addElement(item);
- return item;
- }
- /**
- * 出棧并返回當(dāng)前元素，調(diào)用的是 Vector#removeElementAt 的移除元素方法
- */
- public synchronized E pop() {
- E obj; // 返回當(dāng)前要移除的棧頂元素信息
- int len = size();
- obj = peek(); // 查詢當(dāng)前棧頂元素
- removeElementAt(len - 1); // 移除棧頂元素
- return obj;
- }
- /**
- * 查詢棧頂元素，調(diào)用 Vector#elementAt 的查詢方法
- */
- public synchronized E peek() {
- int len = size(); // 查詢當(dāng)前棧的長度
- if (len == 0) // 如果為空棧，直接拋出異常
- throw new EmptyStackException();
- return elementAt(len - 1); // 查詢棧頂元素的信息
- }
- /**
- * 判斷棧是否為空
- */
- public boolean empty() {
- return size() == 0;
- }
- // 忽略其他方法...
- }
從上述源碼可以看出， Stack 中的核心方法中都調(diào)用了父類 Vector 類中的方法，Vector 類的核心源碼：
- public class Vector<E>
- extends AbstractList<E>
- implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
- {
- protected Object[] elementData; // 存儲數(shù)據(jù)的容器
- protected int elementCount; // 存儲數(shù)據(jù)的容量值
- /**
- * 添加數(shù)據(jù)
- */
- public synchronized void addElement(E obj) {
- modCount++; // 統(tǒng)計容器被更改的參數(shù)
- ensureCapacityHelper(elementCount + 1); // 確認容器大小，如果容量超出則進行擴容
- elementData[elementCount++] = obj; // 將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)組
- }
- /**
- * 移除元素（根據(jù)下標(biāo)移除）
- */
- public synchronized void removeElementAt(int index) {
- modCount++; // 統(tǒng)計容器被更改的參數(shù)
- // 數(shù)據(jù)正確性效驗
- if (index >= elementCount) {
- throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " +
- elementCount);
- }
- else if (index < 0) {
- throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
- }
- int j = elementCount - index - 1;
- if (j > 0) { // 刪除的不是最后一個元素
- // 把刪除元素之后的所有元素往前移動
- System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, j);
- }
- elementCount--; // 數(shù)組容量 -1
- elementData[elementCount] = null; // 將末尾的元素賦值為 null（刪除尾部元素）
- }
- /**
- * 查詢元素（根據(jù)下標(biāo)）
- */
- public synchronized E elementAt(int index) {
- // 安全性驗證
- if (index >= elementCount) {
- throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " + elementCount);
- }
- // 根據(jù)下標(biāo)返回數(shù)組中的元素
- return elementData(index);
- }
- // 忽略其他方法...
- }
對于上述源碼中，可以最不好理解的就是 System#arraycopy 這個方法，它的作用其實就是將刪除的元素(非末尾元素)的后續(xù)元素依次往前移動的，比如以下代碼：
- Object[] elementData = {"Java", "Hello", "world", "JDK", "JRE"};
- int index = 3;
- int j = elementData.length - index - 1;
- System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, j);
- // System.arraycopy(elementData, 4, elementData, 3, 1);
- System.out.println(Arrays.toString(elementData));
它的運行結(jié)果是：
- [Java, Hello, world, JRE, JRE]
也就是說當(dāng)我們要刪除下標(biāo)為 3 的元素時，需要把 3 以后的元素往前移動，所以數(shù)組的值就從 {"Java", "Hello", "world", "JDK", "JRE"} 變?yōu)榱?[Java, Hello, world, JRE, JRE]，最后我們只需要把尾部元素刪除掉，就可以實現(xiàn)數(shù)組中刪除非末尾元素的功能了。
小結(jié)
通過以上源碼可以得知，JDK 中的棧(Stack)也是通過物理結(jié)構(gòu)數(shù)組實現(xiàn)的，我們通過操作物理數(shù)組來實現(xiàn)邏輯結(jié)構(gòu)棧的功能。
棧的應(yīng)用
經(jīng)過前面的學(xué)習(xí)我們對棧已經(jīng)有了一定的了解了，那棧在我們的平常工作中有哪些應(yīng)用呢?接下里我們一起來看。
瀏覽器回退
棧的特性為 LIFO(Last In First Out，LIFO)后進先出，因此借助此特性就可以實現(xiàn)瀏覽器的回退功能，如下圖所示：
函數(shù)調(diào)用棧
棧在程序中最經(jīng)典的一個應(yīng)用就是函數(shù)調(diào)用棧了(或叫方法調(diào)用棧)，比如操作系統(tǒng)給每個線程分配了一塊獨立的內(nèi)存空間，這塊內(nèi)存被組織成“棧”這種結(jié)構(gòu), 用來存儲函數(shù)調(diào)用時的臨時變量。每進入一個函數(shù)，就會將臨時變量作為一個棧幀入棧，當(dāng)被調(diào)用函數(shù)執(zhí)行完成，返回之后，將這個函數(shù)對應(yīng)的棧幀出棧。為了讓你更好地理解，我們一塊來看下這段代碼的執(zhí)行過程。
- int main() {
- int a = 1;
- int ret = 0;
- int res = 0;
- ret = add(3, 5);
- res = a + ret;
- System.out.println(res);
- reuturn 0;
- }
- int add(int x, int y) {
- int sum = 0;
- sum = x + y;
- return sum;
- }
從代碼中我們可以看出， main() 函數(shù)調(diào)用了 add() 函數(shù)，獲取計算結(jié)果，并且與臨時變量 a 相加，最后打印 res 的值。為了讓你清晰地看到這個過程對應(yīng)的函數(shù)棧里出棧、入棧的操作，我畫了一張圖。圖中顯示的是，在執(zhí)行到 add() 函數(shù)時，函數(shù)調(diào)用棧的情況。
棧的復(fù)雜度
復(fù)雜度分為兩個維度：
- 時間維度：是指執(zhí)行當(dāng)前算法所消耗的時間，我們通常用「時間復(fù)雜度」來描述;
- 空間維度：是指執(zhí)行當(dāng)前算法需要占用多少內(nèi)存空間，我們通常用「空間復(fù)雜度」來描述。
這兩種復(fù)雜度都是用大 O 表示法來表示的，比如以下代碼：
- int[] arr = {1, 2, 3, 4};
- for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
- System.out.println(i);
- }
用大 O 表示法來表示的話，它的時間復(fù)雜度就是 O(n)，而如下代碼的時間復(fù)雜度卻為 O(1)：
- int[] arr = {1, 2, 3, 4};
- System.out.println(arr[0]); // 通過下標(biāo)獲取元素
因此如果使用大 O 表示法來表示棧的復(fù)雜度的話，結(jié)果如下所示：
引用 & 鳴謝
https://time.geekbang.org/column/article/41222
