JDK竟然是這樣實(shí)現(xiàn)棧的？
來(lái)源 | Java中文社群（ID：javacn666）
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(lái)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(lái)我們一起來(lái)看。
這正式開(kāi)始之前，先給大家再解釋一下「堆棧」一詞的含義，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(kāi)，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(lái)我們來(lái)看 JDK 中是如何實(shí)現(xiàn)棧的？
在 JDK 中，棧的實(shí)現(xiàn)類(lèi)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<E> extends Vector<E> { /**
?????*?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(lèi) Vector類(lèi)中的方法，Vector類(lèi)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(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(shuō)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(guò)以上源碼可以得知，JDK 中的棧（Stack）也是通過(guò)物理結(jié)構(gòu)數(shù)組實(shí)現(xiàn)的，我們通過(guò)操作物理數(shù)組來(lái)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(jiàn)《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(guò)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(lái)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“?！边@種結(jié)構(gòu), 用來(lái)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(lái)看下這段代碼的執(zhí)行過(guò)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(guò)程對(duì)應(yīng)的函數(shù)棧里出棧、入棧的操作，我畫(huà)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(lái)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(lái)描述。
這兩種復(fù)雜度都是用大 O 表示法來(lái)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(lái)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(guò)下標(biāo)獲取元素
因此如果使用大 O 表示法來(lái)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
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