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[導讀]來源 | Java中文社群(ID:javacn666) 前面的文章《動圖演示:手擼堆棧的兩種實現(xiàn)方法!》我們用數(shù)組和鏈表來實現(xiàn)了自定義的棧結構,那在 JDK 中官方是如何實現(xiàn)棧的呢?接下來我們一起來看。

JDK竟然是這樣實現(xiàn)棧的?

來源 | Java中文社群(ID:javacn666)


前面的文章《動圖演示:手擼堆棧的兩種實現(xiàn)方法!》我們用數(shù)組和鏈表來實現(xiàn)了自定義的棧結構,那在 JDK 中官方是如何實現(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:

JDK竟然是這樣實現(xiàn)棧的?


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,它的繼承關系如下圖所示:

JDK竟然是這樣實現(xiàn)棧的?

Stack包含的方法如下圖所示:

JDK竟然是這樣實現(xiàn)棧的?


其中最重要的方法有:

  • push:入棧方法(添加數(shù)據);
  • pop:出棧并返回當前元素(移除數(shù)據);
  • 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<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable { protected Object[]?elementData; //?存儲數(shù)據的容器 protected int elementCount; //?存儲數(shù)據的容量值 /**
?????*?添加數(shù)據
?????*/ 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)據存儲到數(shù)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(shù) //?數(shù)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(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(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(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

通過以上源碼可以得知,JDK 中的棧(Stack)也是通過物理結構數(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(xiàn)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(xiàn)瀏覽器的回退功能,如下圖所示:

JDK竟然是這樣實現(xiàn)棧的?

函數(shù)調用棧

棧在程序中最經典的一個應用就是函數(shù)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“?!边@種結構, 用來存儲函數(shù)調用時的臨時變量。每進入一個函數(shù),就會將臨時變量作為一個棧幀入棧,當被調用函數(shù)執(zhí)行完成,返回之后,將這個函數(shù)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(shù)調用了 add()函數(shù),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(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)調用棧的情況。

JDK竟然是這樣實現(xiàn)棧的?

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:

JDK竟然是這樣實現(xiàn)棧的?

引用 & 鳴謝

https://time.geekbang.org/column/article/41222

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