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JDK 竟然是這樣實現棧的?

猿友 2020-09-28 14:26:04 瀏覽數 (2922)
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文章來源于公眾號:Java中文社群 作者:磊哥

前面的文章《動圖演示:手擼堆棧的兩種實現方法!》我們用數組和鏈表來實現了自定義的棧結構,那在 JDK 中官方是如何實現棧的呢?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“堆?!边B在一起時有可能表示的是 Stack,而當“堆、?!敝虚g有分號時,則表示 Heap(堆)和 Stack(棧),如下圖所示:

堆棧的含義

JDK 棧的實現

聊會正題,接下來我們來看 JDK 中是如何實現棧的?

在 JDK 中,棧的實現類是 Stack,它的繼承關系如下圖所示:

Stack的繼承關系

Stack 包含的方法如下圖所示:

Stack包含的方法

其中最重要的方法有:

  • push:入棧方法(添加數據);
  • pop:出棧并返回當前元素(移除數據);
  • peek:查詢棧頂元素。

Stack 實現源碼如下:

public class Stack extends Vector {
    /**
     * 創(chuàng)建一個空棧
     */
    public Stack() {
    }


    /**
     * 入棧方法,調用的是 Vector#addElement 的添加方法
     */
    public E push(E item) {
        addElement(item);
        return item;
    }


    /**
     * 出棧并返回當前元素,調用的是 Vector#removeElementAt 的移除元素方法
     */
    public synchronized E pop() {
        E       obj; // 返回當前要移除的棧頂元素信息
        int     len = size();
        obj = peek(); // 查詢當前棧頂元素
        removeElementAt(len - 1); // 移除棧頂元素
        return obj;
    }


    /**
     * 查詢棧頂元素,調用 Vector#elementAt 的查詢方法
     */
    public synchronized E peek() {
        int     len = size(); // 查詢當前棧的長度
        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; // 存儲數據的容器
    protected int elementCount; // 存儲數據的容量值

    
    /**
     * 添加數據
     */
    public synchronized void addElement(E obj) {
        modCount++; // 統(tǒng)計容器被更改的參數
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1); // 確認容器大小,如果容量超出則進行擴容
        elementData[elementCount++] = obj; // 將數據存儲到數組
    }

    
    /**
     * 移除元素(根據下標移除)
     */
    public synchronized void removeElementAt(int index) {
        modCount++; // 統(tǒng)計容器被更改的參數
        // 數據正確性效驗
        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(根據下標)
     */
 public synchronized E elementAt(int index) {
     // 安全性驗證
        if (index >= elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " + elementCount);
        }
        // 根據下標返回數組中的元素
        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));

它的運行結果是:

[Java, Hello, world, JRE, JRE]

也就是說當我們要刪除下標為 3 的元素時,需要把 3 以后的元素往前移動,所以數組的值就從 {"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,就可以實現數組中刪除非末尾元素的功能了。

小結

通過以上源碼可以得知,JDK 中的棧(Stack)也是通過物理結構數組實現的,我們通過操作物理數組來實現邏輯結構棧的功能,關于物理結構和邏輯結構詳見《動圖演示:手擼堆棧的兩種實現方法!》。

棧的應用

經過前面的學習我們對棧已經有了一定的了解了,那棧在我們的平常工作中有哪些應用呢?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瀏覽器的回退功能,如下圖所示:

瀏覽器回退

函數調用棧

棧在程序中最經典的一個應用就是函數調用棧了(或叫方法調用棧),比如操作系統(tǒng)給每個線程分配了一塊獨立的內存空間,這塊內存被組織成“棧”這種結構, 用來存儲函數調用時的臨時變量。每進入一個函數,就會將臨時變量作為一個棧幀入棧,當被調用函數執(zhí)行完成,返回之后,將這個函數對應的棧幀出棧。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() 函數調用了 add() 函數,獲取計算結果,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的函數棧里出棧、入棧的操作,我畫了一張圖。圖中顯示的是,在執(zhí)行到 add() 函數時,函數調用棧的情況。

函數棧里出棧、入棧的操作

棧的復雜度

復雜度分為兩個維度:

  • 時間維度:是指執(zhí)行當前算法所消耗的時間,我們通常用「時間復雜度」來描述;
  • 空間維度:是指執(zhí)行當前算法需要占用多少內存空間,我們通常用「空間復雜度」來描述。

這兩種復雜度都是用大 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,它的時間復雜度就是 O(n),而如下代碼的時間復雜度卻為 O(1):

int[] arr = {1, 2, 3, 4};
System.out.println(arr[0]); // 通過下標獲取元素

因此如果使用大 O 表示法來表示棧的復雜度的話,結果如下所示:

棧的復雜度

以上就是W3Cschool編程獅關于JDK 竟然是這樣實現棧的?的相關介紹了,希望對大家有所幫助。

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