JDK 竟然是這樣實(shí)現(xiàn)棧的？

文章來源于公眾號(hào)：Java中文社群 作者：磊哥

前面的文章《動(dòng)圖演示：手?jǐn)]堆棧的兩種實(shí)現(xiàn)方法！》我們用數(shù)組和鏈表來實(shí)現(xiàn)了自定義的棧結(jié)構(gòu)，那在 JDK 中官方是如何實(shí)現(xiàn)棧的呢？接下來我們一起來看。

這正式開始之前，先給大家再解釋一下「堆?！挂辉~的含義，因?yàn)橹坝凶x者對(duì)這個(gè)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(jiǎn)稱為棧。因此當(dāng)“堆?！边B在一起時(shí)有可能表示的是 Stack，而當(dāng)“堆、棧”中間有分號(hào)時(shí)，則表示 Heap（堆）和 Stack（棧），如下圖所示：

JDK 棧的實(shí)現(xiàn)

聊會(huì)正題，接下來我們來看 JDK 中是如何實(shí)現(xiàn)棧的？

在 JDK 中，棧的實(shí)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(shí)現(xiàn)源碼如下：

public class Stack extends Vector {
    /**
     * 創(chuàng)建一個(gè)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(zhǎng)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
    extends AbstractList
    implements List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
 protected Object[] elementData; // 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的容器
    protected int elementCount; // 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的容量值

    
    /**
     * 添加數(shù)據(jù)
     */
    public synchronized void addElement(E obj) {
        modCount++; // 統(tǒng)計(jì)容器被更改的參數(shù)
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1); // 確認(rèn)容器大小，如果容量超出則進(jìn)行擴(kuò)容
        elementData[elementCount++] = obj; // 將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)容器被更改的參數(shù)
        // 數(shù)據(jù)正確性效驗(yàn)
        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(gè)元素
         // 把刪除元素之后的所有元素往前移動(dòng)
            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?cè)兀ǜ鶕?jù)下標(biāo)）
     */
 public synchronized E elementAt(int index) {
     // 安全性驗(yàn)證
        if (index >= elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " + elementCount);
        }
        // 根據(jù)下標(biāo)返回?cái)?shù)組中的元素
        return elementData(index);
    }
    // 忽略其他方法...
}

對(duì)于上述源碼中，可以最不好理解的就是 System#arraycopy 這個(gè)方法，它的作用其實(shí)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(dòng)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(yùn)行結(jié)果是：

[Java, Hello, world, JRE, JRE]

也就是說當(dāng)我們要?jiǎng)h除下標(biāo)為 3 的元素時(shí)，需要把 3 以后的元素往前移動(dòng)，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(shí)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(shí)現(xiàn)的，我們通過操作物理數(shù)組來實(shí)現(xiàn)邏輯結(jié)構(gòu)棧的功能，關(guān)于物理結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)詳見《動(dòng)圖演示：手?jǐn)]堆棧的兩種實(shí)現(xiàn)方法！》。

棧的應(yīng)用

經(jīng)過前面的學(xué)習(xí)我們對(duì)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(jìn)先出，因此借助此特性就可以實(shí)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(gè)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(gè)線程分配了一塊獨(dú)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(chǔ)函數(shù)調(diào)用時(shí)的臨時(shí)變量。每進(jìn)入一個(gè)函數(shù)，就會(huì)將臨時(shí)變量作為一個(gè)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(gè)函數(shù)對(duì)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(jì)算結(jié)果，并且與臨時(shí)變量 a 相加，最后打印 res 的值。為了讓你清晰地看到這個(gè)過程對(duì)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(shí)，函數(shù)調(diào)用棧的情況。

棧的復(fù)雜度

復(fù)雜度分為兩個(gè)維度：

• 時(shí)間維度：是指執(zhí)行當(dāng)前算法所消耗的時(shí)間，我們通常用「時(shí)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(shí)間復(fù)雜度就是 O(n)，而如下代碼的時(shí)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：

以上就是W3Cschool編程獅關(guān)于JDK 竟然是這樣實(shí)現(xiàn)棧的？的相關(guān)介紹了，希望對(duì)大家有所幫助。