JDK 竟然是这样实现栈的?

原创
09/28 08:00
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作者 | 王磊

来源 | Java中文社群(ID:javacn666)

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前面的文章《动图演示:手撸堆栈的两种实现方法!》我们用数组和链表来实现了自定义的栈结构,那在 JDK 中官方是如何实现栈的呢?接下来我们一起来看。

这正式开始之前,先给大家再解释一下「堆栈」一词的含义,因为之前有读者对这个词有一定的疑惑。

Stack 翻译为中文是堆栈的意思,但为了能和 Heap(堆)区分开,因此我们一般将 Stack 简称为栈。因此当“堆栈”连在一起时有可能表示的是 Stack,而当“堆、栈”中间有分号时,则表示 Heap(堆)和 Stack(栈),如下图所示:


JDK 栈的实现

聊会正题,接下来我们来看 JDK 中是如何实现栈的?

在 JDK 中,栈的实现类是 Stack,它的继承关系如下图所示:


Stack 包含的方法如下图所示:


其中最重要的方法有:

  • push:入栈方法(添加数据);
  • pop:出栈并返回当前元素(移除数据);
  • peek:查询栈顶元素。

Stack 实现源码如下:

public class Stack<Eextends Vector<E{
    /**
     * 创建一个空栈
     */

    public Stack() {
    }

    /**
     * 入栈方法,调用的是 Vector#addElement 的添加方法
     */

    public E push(E item) {
        addElement(item);
        return item;
    }

    /**
     * 出栈并返回当前元素,调用的是 Vector#removeElementAt 的移除元素方法
     */

    public synchronized E pop() {
        E       obj; // 返回当前要移除的栈顶元素信息
        int     len = size();
        obj = peek(); // 查询当前栈顶元素
        removeElementAt(len - 1); // 移除栈顶元素
        return obj;
    }

    /**
     * 查询栈顶元素,调用 Vector#elementAt 的查询方法
     */

    public synchronized E peek() {
        int     len = size(); // 查询当前栈的长度
        if (len == 0// 如果为空栈,直接抛出异常
            throw new EmptyStackException();
        return elementAt(len - 1); // 查询栈顶元素的信息
    }

    /**
     * 判断栈是否为空
     */

    public boolean empty() {
        return size() == 0;
    }
    // 忽略其他方法...
}

从上述源码可以看出, Stack 中的核心方法中都调用了父类 Vector 类中的方法,Vector 类的核心源码:

public class Vector<E>
    extends AbstractList<E>
    implements List<E>, RandomAccessCloneablejava.io.Serializable
{
 protected Object[] elementData; // 存储数据的容器
    protected int elementCount; // 存储数据的容量值
    
    /**
     * 添加数据
     */

    public synchronized void addElement(E obj) {
        modCount++; // 统计容器被更改的参数
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1); // 确认容器大小,如果容量超出则进行扩容
        elementData[elementCount++] = obj; // 将数据存储到数组
    }
    
    /**
     * 移除元素(根据下标移除)
     */

    public synchronized void removeElementAt(int index) {
        modCount++; // 统计容器被更改的参数
        // 数据正确性效验
        if (index >= elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " +
                                                     elementCount);
        }
        else if (index < 0) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
        }
        int j = elementCount - index - 1;
        if (j > 0) { // 删除的不是最后一个元素
         // 把删除元素之后的所有元素往前移动
            System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, j);
        }
        elementCount--; // 数组容量 -1
        elementData[elementCount] = null// 将末尾的元素赋值为 null(删除尾部元素)
    }
    
    /**
     * 查询元素(根据下标)
     */

 public synchronized E elementAt(int index) {
     // 安全性验证
        if (index >= elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " + elementCount);
        }
        // 根据下标返回数组中的元素
        return elementData(index);
    }
    // 忽略其他方法...
}

对于上述源码中,可以最不好理解的就是 System#arraycopy 这个方法,它的作用其实就是将删除的元素(非末尾元素)的后续元素依次往前移动的,比如以下代码:

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));

它的运行结果是:

[Java, Hello, world, JRE, JRE]

也就是说当我们要删除下标为 3 的元素时,需要把 3 以后的元素往前移动,所以数组的值就从 {"Java", "Hello", "world", "JDK", "JRE"} 变为了 [Java, Hello, world, JRE, JRE],最后我们只需要把尾部元素删除掉,就可以实现数组中删除非末尾元素的功能了。

小结

通过以上源码可以得知,JDK 中的栈(Stack)也是通过物理结构数组实现的,我们通过操作物理数组来实现逻辑结构栈的功能,关于物理结构和逻辑结构详见《动图演示:手撸堆栈的两种实现方法!》

栈的应用

经过前面的学习我们对栈已经有了一定的了解了,那栈在我们的平常工作中有哪些应用呢?接下里我们一起来看。

浏览器回退

栈的特性为 LIFO(Last In First Out,LIFO)后进先出,因此借助此特性就可以实现浏览器的回退功能,如下图所示:

函数调用栈

栈在程序中最经典的一个应用就是函数调用栈了(或叫方法调用栈),比如操作系统给每个线程分配了一块独立的内存空间,这块内存被组织成“栈”这种结构, 用来存储函数调用时的临时变量。每进入一个函数,就会将临时变量作为一个栈帧入栈,当被调用函数执行完成,返回之后,将这个函数对应的栈帧出栈。为了让你更好地理解,我们一块来看下这段代码的执行过程。

int main() {
   int a = 1
   int ret = 0;
   int res = 0;
   ret = add(35);
   res = a + ret;
   System.out.println(res);
   reuturn 0;
}
int add(int x, int y) {
   int sum = 0;
   sum = x + y;
   return sum;
}

从代码中我们可以看出, main() 函数调用了 add() 函数,获取计算结果,并且与临时变量 a 相加,最后打印 res 的值。为了让你清晰地看到这个过程对应的函数栈里出栈、入栈的操作,我画了一张图。图中显示的是,在执行到 add() 函数时,函数调用栈的情况。

栈的复杂度

复杂度分为两个维度:

  • 时间维度:是指执行当前算法所消耗的时间,我们通常用「时间复杂度」来描述;
  • 空间维度:是指执行当前算法需要占用多少内存空间,我们通常用「空间复杂度」来描述。

这两种复杂度都是用大 O 表示法来表示的,比如以下代码:

int[] arr = {1234};
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
    System.out.println(i);
}

用大 O 表示法来表示的话,它的时间复杂度就是 O(n),而如下代码的时间复杂度却为 O(1):

int[] arr = {1234};
System.out.println(arr[0]); // 通过下标获取元素

因此如果使用大 O 表示法来表示栈的复杂度的话,结果如下所示:

引用 & 鸣谢

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


   
   

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