前面的文章《動圖演示:手擼堆棧的兩種實現方法!》我們用數組和鍊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)區分開,因此我們一般將 Stack 簡稱為棧。因此當「堆棧」連在一起時有可能表示的是 Stack,而當「堆、棧」中間有分號時,則表示 Heap(堆)和 Stack(棧),如下圖所示:
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,它的繼承關係如下圖所示:
Stack 包含的方法如下圖所示:
其中最重要的方法有:
Stack 實現源碼如下:
public class Stack<E> extends Vector<E> {
/**
* 創建一個空棧
*/
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;
}
/**
* 出棧並返回當前元素,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) { // 刪除的不是最後一個元素
// 把刪除元素之後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...
}對於上述源碼中,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)的後續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 以後的元素往前移動,所以數組的值就從 {"Java", "Hello", "world", "JDK", "JRE"} 變為了 [Java, Hello, world, JRE, JRE],最後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,關於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?接下裡我們一起來看。
瀏覽器回退棧的特性為 LIFO(Last In First Out,LIFO)後進先出,因此藉助此特性就可以實現瀏覽器的回退功能,如下圖所示:
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),比如作業系統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,當被調用函數執行完成,返回之後,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,並且與臨時變量 a 相加,最後列印 res 的值。為了讓你清晰地看到這個過程對應的函數棧裡出棧、入棧的操作,我畫了一張圖。圖中顯示的是,在執行到 add() 函數時,函數調用棧的情況。
棧的複雜度複雜度分為兩個維度:
時間維度:是指執行當前算法所消耗的時間,我們通常用「時間複雜度」來描述;空間維度:是指執行當前算法需要佔用多少內存空間,我們通常用「空間複雜度」來描述。這兩種複雜度都是用大 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,它的時間複雜度就是 O(n),而如下代碼的時間複雜度卻為 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 表示法來表示棧的複雜度的話,結果如下所示:
引用 & 鳴謝https://time.geekbang.org/column/article/41222