Java常用資料結構之Stack&Vector
前言
繼續Java常用資料結構分析之路，這次的主角是Stack和Vector。Vector已經不推薦使用了，可以用ArrayList和LinkedList替代，它的主要特色是執行緒安全，代價自然就是效率。Stack則是擁有先進後出的特性，在特定的環境下能很好的工作。這兩個類相較於List和Map的使用頻率要少，但還是需要理解其內部原理的。
類繼承關係
先來看Stack：
public class Stack<E> extends Vector<E>
複製程式碼原來Stack繼承了Vector，那再看Vector：
public class Vector<E 又是熟悉的感覺：
- 繼承AbstractList抽象類，算是List模板的擴充套件；
- 實現List介面，Vector屬於List的一種；
- 實現RandomAccess介面，一個空介面，用來標記可以隨機訪問元素；
- 實現Cloneable介面，可以被克隆；
- 實現Serializable介面，可以被序列化；
總的來說，Stack和Vector其實都是List的一種實現，可以進行隨機訪問，子類中實現自己的特徵邏輯。
Vector原始碼分析
重要屬性
// 用來儲存元素，該陣列的大小就是Vector的容量大小，說明支援null
protected Object[] elementData;
// 當前已儲存元素的數量
protected int elementCount;
// 當容量不夠時，Vector擴充的大小
protected int capacityIncrement;
// Vector的最大容量
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
複製程式碼Vector使用陣列來儲存元素，有意思的是開發人員可以自己控制每次擴容的大小。
建構函式
public Vector() {
this(10); // 預設容量10
}
public Vector(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, 0); // 預設擴容增量設定為0表示雙倍擴充套件
}
// 可以設定擴容時增量大小
public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
this.capacityIncrement = capacityIncrement;
}
複製程式碼使用無參建構函式建立Vector時，預設大小是10，且每次擴容時容量變成原來的兩倍。
重用方法
先來看擴容方法：
private int newCapacity(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length; // 因為已經滿了，所以是舊容量
// 如果擴充容量值小於等於0，則直接擴充為原來的兩倍
int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
capacityIncrement : oldCapacity);
// minCapacity一般是oldCapacity+1，即執行add操作擴容
if (newCapacity - minCapacity <= 0) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return minCapacity;
}
return (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE <= 0)
? newCapacity
: hugeCapacity(minCapacity);
}
複製程式碼當執行add操作時，就有可能進行擴容，來看看add方法：
public synchronized boolean add(E e) {
modCount++; // 記錄修改次數
add(e, elementData, elementCount);
return true;
}
private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
if (s == elementData.length)
elementData = grow(); // 擴容
elementData[s] = e; // 增加新元素
elementCount = s + 1; // 元素數量加1
}
private Object[] grow() {
return grow(elementCount + 1); // 擴充的最小容量是原資料量加1
}
private Object[] grow(int minCapacity) {
// 呼叫newCapacity獲取新容量，同時進行陣列複製
return elementData = Arrays.copyOf(elementData,
newCapacity(minCapacity));
}
複製程式碼注意到add(E e)方法增加了synchronized關鍵字，說明是執行緒安全的。其實，Vector大部分公開方法都有synchronized關鍵字，所以說Vector是執行緒安全的。
Vector中除了add(E e)還可以使用addElement(E obj)和insertElementAt(E obj, int index)來新增元素，內部實現大同小異。
有擴容，理論上也要有縮容，然而Vector沒有自動縮容邏輯，但提供了一個方法：
public synchronized void trimToSize() {
modCount++;
int oldCapacity = elementData.length;
if (elementCount < oldCapacity) {
elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount);
}
}
複製程式碼trimToSize方法可以將Vector的容量調整到元素數量大小。
說到Vector的容量，其實Vector是支援自定義設定大小的，使用setSize(int newSize)即可。
public synchronized void setSize(int newSize) {
modCount++;
if (newSize > elementData.length)
grow(newSize);
final Object[] es = elementData;
for (int to = elementCount, i = newSize; i < to; i++)
es[i] = null; // 不夠則補null，多了則剪去
elementCount = newSize;
}
複製程式碼如果設定的大小大於當前儲存的元素數量，則補null值；如果小於現有元素數量，則會剪去多餘元素。
遍歷方法
對應Vector，可以使用三種方法進行遍歷：
- 使用
iterator()或者listIterator()方法； - 使用
elements()方法； - 使用
forEach(Consumer<? super E> action)方法；
第一種方法中，使用iterator時，不可以對Vector進行add和remove操作；第二種方法中，使用elements時，可以使用add操作，但不可以使用remove操作；第三種方法，可以使用lambda表示式。
Vector的主要原始碼分析就這麼多，還有一些導航方法，如indexOf、lastElement等實現邏輯都很簡單。
Stack原始碼分析
Stack類繼承了Vector，也是使用陣列進行元素儲存，其原始碼很少，就提供了幾個公有方法，下面直接分析這些方法。
- push方法
public E push(E item) {
// 直接呼叫Vector的addElement方法，將元素新增到陣列尾部
addElement(item);
return item;
}
複製程式碼- pop和peek方法
// 返回棧頂元素，並且在陣列中刪除該元素
public synchronized E pop() {
E obj;
int len = size();
obj = peek(); // 獲取頂部元素
removeElementAt(len - 1); // 去除
return obj;
}
public synchronized E peek() {
int len = size();
if (len == 0) // 空異常
throw new EmptyStackException();
return elementAt(len - 1); // 隨機訪問陣列中最後一個元素
}
複製程式碼- search方法
// 返回離棧頂最近的指定元素到棧頂的距離
// 從1開始
public synchronized int search(Object o) {
int i = lastIndexOf(o); // 指定元素在陣列中最後出現的位置
if (i >= 0) { // 獲取差量
return size() - i;
}
return -1;
}
複製程式碼舉個例子：
基礎Stack：7 2 11 -6 5 8 66，執行下面的程式碼：
// 7 2 11 -6 5 8 66
// 基本位置為1
System.out.println("search操作，11距離頂部的距離：" + stack.search(11));
System.out.println("search 7：" + stack.search(7));
System.out.println("search 66：" + stack.search(66));
stack.push(0);
stack.push(0);
stack.push(0);
stack.push(9);
stack.push(33); // 7 2 11 -6 5 8 66 0 0 0 9 33
stack.forEach(integer -> {
System.out.print(integer + " ");
});
System.out.println();
System.out.println("search 離頂部最近的0：" + stack.search(0));
複製程式碼總結
Stack和Vector的程式碼都很簡單，使用陣列進行資料儲存。Stack的先進後出特性很好用，常在演算法題中得到應用；Vector雖然保證了執行緒安全，但考慮到大部分使用場景都是單執行緒模式，所以對效率稍有影響。