深入分析JAVA Vector和Stack的具體用法
前面我們已經(jīng)接觸過幾種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)了，有數(shù)組、鏈表、Hash表、紅黑樹(二叉查詢樹)，今天再來看另外一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：棧。
什么是棧呢，我們先看一個(gè)例子：棧就相當(dāng)于一個(gè)很窄的木桶，我們往木桶里放東西，往外拿東西時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們最開始放的東西在最底部，最先拿出來的是剛剛放進(jìn)去的。所以，棧就是這么一種先進(jìn)后出（FirstInLastOut，或者叫后進(jìn)先出）的容器，它只有一個(gè)口，在這個(gè)口放入元素，也在這個(gè)口取出元素。那么我們接下來學(xué)習(xí)JDK中的棧。
一、Vector&Stack的基本介紹和使用
我們先看下JDK種的定義：
public class Stack<E> extends Vector<E> {
從上面可以看到Stack 是繼承自于Vector的，因此我們要對Vector 也要有一定的認(rèn)識。
Vector：線程安全的動(dòng)態(tài)數(shù)組
Stack：繼承Vector，基于動(dòng)態(tài)數(shù)組實(shí)現(xiàn)的一個(gè)線程安全的棧；
1.Vector 和 Stack的特點(diǎn)：
Vector與ArrayList基本是一致的，不同的是Vector是線程安全的，會(huì)在可能出現(xiàn)線程安全的方法前面加上synchronized關(guān)鍵字；
Vector：隨機(jī)訪問速度快，插入和移除性能較差(數(shù)組的特點(diǎn))；支持null元素；有順序；元素可以重復(fù)；線程安全；
Stack：后進(jìn)先出，實(shí)現(xiàn)了一些?；静僮鞯姆椒ǎㄆ鋵?shí)并不是只能后進(jìn)先出，因?yàn)槔^承自Vector，可以有很多操作，從某種意義上來講，不是一個(gè)棧）；
2.Vector 和 Stack 結(jié)構(gòu)：
Vector類
與ArrayList基本一致，剩下的主要不同點(diǎn)如下：
1、Vector是線程安全的
2、ArrayList增長量和Vector的增長量不一致
其它，如構(gòu)造方法不一致，Vector可以通過構(gòu)造方法初始化capacityIncrement，另外還有其它一些方法，如indexOf方法，Vector支持從指定位置開始搜索查找；另外，Vector還有一些功能重復(fù)的冗余方法，如addElement，setElementAt方法，之所以這樣，是由于歷史原因，像addElement方法是以前遺留的，當(dāng)集合框架引進(jìn)的時(shí)候，Vector加入集合大家族，改成實(shí)現(xiàn)List接口，需要實(shí)現(xiàn)List接口中定義的一些方法，但是出于兼容考慮，又不能刪除老的方法，所以出現(xiàn)了一些功能冗余的舊方法；現(xiàn)在已經(jīng)被ArrayList取代，基本很少使用，了解即可。
Stack類
實(shí)現(xiàn)了棧的基本操作。方法如下：
public Stack();
創(chuàng)建空棧
public synchronized E peek();
返回棧頂?shù)闹担?/p>
public E push(E item);
入棧操作；
public synchronized E pop();
出棧操作；
public boolean empty();
判斷棧是否為空；
public synchronized int search(Object o);
返回對象在棧中的位置；
對于上述的棧而言，我們基本只會(huì)經(jīng)常用到上面的方法，雖然它繼承了Vector，有很多方法，但基本不會(huì)使用，而只是當(dāng)做一個(gè)棧來看待。
3.基本使用
Vector中的部分方法使用如下，另外Vector的遍歷方式跟ArrayList一致，可以用foreach，迭代器，for循環(huán)遍歷；
import java.util.Arrays;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
import java.util.ListIterator;
import java.util.Vector;
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
for(int i = 0; i < 10; i++){
vector.add(i);
}
//直接打印
System.out.println(vector.toString());
//size()
System.out.println(vector.size());
//contains
System.out.println(vector.contains(2));
//iterator
Iterator<Integer> iterator = vector.iterator();
while(iterator.hasNext()){
System.out.print(iterator.next() + " ");
}
//toArray
Object[] objArr = vector.toArray();
System.out.println("\nobjArr:" + Arrays.asList(objArr));
Integer[] intArr = vector.toArray(new Integer[vector.size()]);
System.out.println("intArr:" + Arrays.asList(intArr));
//add
vector.add(5);
//remove
vector.remove(5);
System.out.println(vector);
//containsAll
System.out.println(vector.containsAll(Arrays.asList(5,6)));
//addAll
vector.addAll(Arrays.asList(555,666));
System.out.println(vector);
//removeAll
vector.removeAll(Arrays.asList(555,666));
System.out.println(vector);
//addAll方法
vector.addAll(5, Arrays.asList(666,666, 6));
System.out.println(vector);
//get方法
System.out.println(vector.get(5));
//set方法
vector.set(5, 55);
System.out.println(vector.get(5));
//add方法
vector.add(0, 555);
System.out.println(vector);
//remove方法
vector.remove(0);
System.out.println(vector);
//indexof方法
System.out.println(vector.indexOf(6));
//lastIndexOf方法
System.out.println(vector.lastIndexOf(6));
//listIterator方法
ListIterator<Integer> listIterator = vector.listIterator();
System.out.println(listIterator.hasPrevious());
//listIterator(index)方法
ListIterator<Integer> iListIterator = vector.listIterator(5);
System.out.println(iListIterator.previous());
//subList方法
System.out.println(vector.subList(5, 7));
//clear
vector.clear();
System.out.println(vector);
}
}
Stack中的部分方法使用如下，因?yàn)镾tack繼承Vector，所以Vector可以用的方法，Stack同樣可以使用，以下列出一些Stack獨(dú)有的方法的例子，很簡單，就是棧的一些基本操作,另外stack除了Vector的幾種遍歷方式外，還有自己獨(dú)有的遍歷元素的方式（利用empty方法和pop方法實(shí)現(xiàn)棧頂?shù)綏５椎谋闅v）：
import java.util.Stack;
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Stack<Integer> stack = new Stack<Integer>();
for(int i = 0; i < 10; i++){
stack.add(i);
}
System.out.println(stack);
System.out.println(stack.peek());
stack.push(555);
System.out.println(stack);
System.out.println(stack.pop());
System.out.println(stack);
System.out.println(stack.empty());
System.out.println(stack.search(6));
System.out.println("stack遍歷：");
while(!stack.empty()){
System.out.print(stack.pop() + " ");
}
}
}
小節(jié)：
Vector是線程安全的，但是性能較差，一般情況下使用ArrayList,除非特殊需求；
如果打算用Stack作為棧來使用的話，就老老實(shí)實(shí)嚴(yán)格按照棧的幾種操作來使用，否則就是去了使用stack的意義，還不如用Vector;
二、Vector&Stacke的結(jié)構(gòu)和底層存儲
public class Vector<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
Vector是List的一個(gè)實(shí)現(xiàn)類，其實(shí)Vector也是一個(gè)基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)的List容器，其功能及實(shí)現(xiàn)代碼和ArrayList基本上是一樣的。那么不一樣的是什么地方的，一個(gè)是數(shù)組擴(kuò)容的時(shí)候，Vector是*2，ArrayList是*1.5+1；另一個(gè)就是Vector是線程安全的，而ArrayList不是，而Vector線程安全的做法是在每個(gè)方法上面加了一個(gè)synchronized關(guān)鍵字來保證的。但是這里說一句，Vector已經(jīng)不官方的（大家公認(rèn)的）不被推薦使用了，正式因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)線程安全方式是鎖定整個(gè)方法，導(dǎo)致的是效率不高，那么有沒有更好的提到方案呢，其實(shí)也不能說有，但是還真就有那么一個(gè)，Collections.synchronizedList()
由于Stack是繼承和基于Vector，那么簡單看一下Vector的一些定義和方法源碼：
// 底層使用數(shù)組存儲數(shù)據(jù)
protected Object[] elementData;
// 元素個(gè)數(shù)
protected int elementCount ;
// 自定義容器擴(kuò)容遞增大小
protected int capacityIncrement ;
public Vector( int initialCapacity, int capacityIncrement) {
super();
// 越界檢查
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException( "Illegal Capacity: " +
initialCapacity);
// 初始化數(shù)組
this.elementData = new Object[initialCapacity];
this.capacityIncrement = capacityIncrement;
}
// 使用synchronized關(guān)鍵字鎖定方法，保證同一時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)線程可以操縱該方法
public synchronized boolean add(E e) {
modCount++;
// 擴(kuò)容檢查
ensureCapacityHelper( elementCount + 1);
elementData[elementCount ++] = e;
return true;
}
private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {
// 當(dāng)前元素?cái)?shù)量
int oldCapacity = elementData .length;
// 是否需要擴(kuò)容
if (minCapacity > oldCapacity) {
Object[] oldData = elementData;
// 如果自定義了容器擴(kuò)容遞增大小，則按照capacityIncrement進(jìn)行擴(kuò)容，否則按兩倍進(jìn)行擴(kuò)容（*2）
int newCapacity = (capacityIncrement > 0) ?
(oldCapacity + capacityIncrement) : (oldCapacity * 2);
if (newCapacity < minCapacity) {
newCapacity = minCapacity;
}
// 數(shù)組copy
elementData = Arrays.copyOf( elementData, newCapacity);
}
}
Vector就簡單看到這里，其他方法Stack如果沒有調(diào)用的話就不進(jìn)行分析了，不明白的可以去看ArrayList源碼解析。
三、主要方法分析
1.peek()——獲取棧頂?shù)膶ο?/p>
/**
* 獲取棧頂?shù)膶ο?，但是不刪除
*/
public synchronized E peek() {
// 當(dāng)前容器元素個(gè)數(shù)
int len = size();
// 如果沒有元素，則直接拋出異常
if (len == 0)
throw new EmptyStackException();
// 調(diào)用elementAt方法取出數(shù)組最后一個(gè)元素（最后一個(gè)元素在棧頂）
return elementAt(len - 1);
}
/**
* 根據(jù)index索引取出該位置的元素，這個(gè)方法在Vector中
*/
public synchronized E elementAt(int index) {
// 越界檢查
if (index >= elementCount ) {
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " + elementCount);
}
// 直接通過數(shù)組下標(biāo)獲取元素
return (E)elementData [index];
}
2.pop()——彈棧（出棧），獲取棧頂?shù)膶ο螅⒃搶ο髲娜萜髦袆h除
/**
* 彈棧，獲取并刪除棧頂?shù)膶ο?
*/
public synchronized E pop() {
// 記錄棧頂?shù)膶ο?
E obj;
// 當(dāng)前容器元素個(gè)數(shù)
int len = size();
// 通過peek()方法獲取棧頂對象
obj = peek();
// 調(diào)用removeElement方法刪除棧頂對象
removeElementAt(len - 1);
// 返回棧頂對象
return obj;
}
/**
* 根據(jù)index索引刪除元素
*/
public synchronized void removeElementAt(int index) {
modCount++;
// 越界檢查
if (index >= elementCount ) {
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " +
elementCount);
}
else if (index < 0) {
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
}
// 計(jì)算數(shù)組元素要移動(dòng)的個(gè)數(shù)
int j = elementCount - index - 1;
if (j > 0) {
// 進(jìn)行數(shù)組移動(dòng)，中間刪除了一個(gè)，所以將后面的元素往前移動(dòng)（這里直接移動(dòng)將index位置元素覆蓋掉，就相當(dāng)于刪除了）
System. arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, j);
}
// 容器元素個(gè)數(shù)減1
elementCount--;
// 將容器最后一個(gè)元素置空（因?yàn)閯h除了一個(gè)元素，然后index后面的元素都向前移動(dòng)了，所以最后一個(gè)就沒用了 ）
elementData[elementCount ] = null; /* to let gc do its work */
}
3.push(E item)——壓棧（入棧），將對象添加進(jìn)容器并返回
/**
* 將對象添加進(jìn)容器并返回
*/
public E push(E item) {
// 調(diào)用addElement將元素添加進(jìn)容器
addElement(item);
// 返回該元素
return item;
}
/**
* 將元素添加進(jìn)容器，這個(gè)方法在Vector中
*/
public synchronized void addElement(E obj) {
modCount++;
// 擴(kuò)容檢查
ensureCapacityHelper( elementCount + 1);
// 將對象放入到數(shù)組中，元素個(gè)數(shù)+1
elementData[elementCount ++] = obj;
}
4.search(Object o)——返回對象在容器中的位置，棧頂為1
/**
* 返回對象在容器中的位置，棧頂為1
*/
public synchronized int search(Object o) {
// 從數(shù)組中查找元素，從最后一次出現(xiàn)
int i = lastIndexOf(o);
// 因?yàn)闂ｍ斔?，所以要用size()-i計(jì)算
if (i >= 0) {
return size() - i;
}
return -1;
}
5.empty()——容器是否為空
/**
* 檢查容器是否為空
*/
public boolean empty() {
return size() == 0;
}
小節(jié)：
到這里Stack的方法就分析完成了，由于Stack最終還是基于數(shù)組的，理解起來還是很容易的（因?yàn)橛辛薃rrayList的基礎(chǔ)啦）。
雖然jdk中Stack的源碼分析完了，但是這里有必要討論下，不知道是否發(fā)現(xiàn)這里的Stack很奇怪的現(xiàn)象，
（1）Stack為什么是基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)的呢？
我們都知道數(shù)組的特點(diǎn)：方便根據(jù)下標(biāo)查詢（隨機(jī)訪問），但是內(nèi)存固定，且擴(kuò)容效率較低。很容易想到Stack用鏈表實(shí)現(xiàn)最合適的。
（2）Stack為什么是繼承Vector的？
繼承也就意味著Stack繼承了Vector的方法，這使得Stack有點(diǎn)不倫不類的感覺，既是List又是Stack。如果非要繼承Vector合理的做法應(yīng)該是什么：Stack不繼承Vector，而只是在自身有一個(gè)Vector的引用，聚合對不對？
唯一的解釋呢，就是Stack是jdk1.0出來的，那個(gè)時(shí)候jdk中的容器還沒有ArrayList、LinkedList等只有Vector，既然已經(jīng)有了Vector且能實(shí)現(xiàn)Stack的功能，那么就干吧。。。既然用鏈表實(shí)現(xiàn)Stack是比較理想的，那么我們就來嘗試一下吧：
import java.util.LinkedList;
public class LinkedStack<E> {
private LinkedList<E> linked ;
public LinkedStack() {
this.linked = new LinkedList<E>();
}
public E push(E item) {
this.linked .addFirst(item);
return item;
}
public E pop() {
if (this.linked.isEmpty()) {
return null;
}
return this.linked.removeFirst();
}
public E peek() {
if (this.linked.isEmpty()) {
return null;
}
return this.linked.getFirst();
}
public int search(E item) {
int i = this.linked.indexOf(item);
return i + 1;
}
public boolean empty() {
return this.linked.isEmpty();
}
}
這里使用的LinkedList實(shí)現(xiàn)的Stack，記得在LinkedList中說過，LinkedList實(shí)現(xiàn)了Deque接口使得它既可以作為棧（先進(jìn)后出），又可以作為隊(duì)列（先進(jìn)先出）。
四、Vector&ArrayList的區(qū)別
List接口一共有三個(gè)實(shí)現(xiàn)類，分別是ArrayList、Vector和LinkedList。List用于存放多個(gè)元素，能夠維護(hù)元素的次序，并且允許元素的重復(fù)。
3個(gè)具體實(shí)現(xiàn)類的相關(guān)區(qū)別如下：
1.ArrayList是最常用的List實(shí)現(xiàn)類，內(nèi)部是通過數(shù)組實(shí)現(xiàn)的，它允許對元素進(jìn)行快速隨機(jī)訪問。數(shù)組的缺點(diǎn)是每個(gè)元素之間不能有間隔，當(dāng)數(shù)組大小不滿足時(shí)需要增加存儲能力，就要講已經(jīng)有數(shù)組的數(shù)據(jù)復(fù)制到新的存儲空間中。當(dāng)從ArrayList的中間位置插入或者刪除元素時(shí)，需要對數(shù)組進(jìn)行復(fù)制、移動(dòng)、代價(jià)比較高。因此，它適合隨機(jī)查找和遍歷，不適合插入和刪除。
2.Vector與ArrayList一樣，也是通過數(shù)組實(shí)現(xiàn)的，不同的是它支持線程的同步，即某一時(shí)刻只有一個(gè)線程能夠?qū)慥ector，避免多線程同時(shí)寫而引起的不一致性，但實(shí)現(xiàn)同步需要很高的花費(fèi)，因此，訪問它比訪問ArrayList慢。
3.LinkedList是用鏈表結(jié)構(gòu)存儲數(shù)據(jù)的，很適合數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)插入和刪除，隨機(jī)訪問和遍歷速度比較慢。另外，他還提供了List接口中沒有定義的方法，專門用于操作表頭和表尾元素，可以當(dāng)作堆棧、隊(duì)列和雙向隊(duì)列使用。
五、隊(duì)列Queue、雙端隊(duì)列Deque簡單了解
1、Queue
在java5中新增加了java.util.Queue接口，用以支持隊(duì)列的常見操作。該接口擴(kuò)展了java.util.Collection接口。
public interface Queue<E> extends Collection<E>
除了基本的 Collection 操作外，隊(duì)列還提供其他的插入、提取和檢查操作。
每個(gè)方法都存在兩種形式：一種拋出異常（操作失敗時(shí)），另一種返回一個(gè)特殊值（null 或 false，具體取決于操作）。
隊(duì)列通常（但并非一定）以 FIFO（先進(jìn)先出）的方式排序各個(gè)元素。不過優(yōu)先級隊(duì)列和 LIFO 隊(duì)列（或堆棧）例外，前者根據(jù)提供的比較器或元素的自然順序?qū)υ剡M(jìn)行排序，后者按 LIFO（后進(jìn)先出）的方式對元素進(jìn)行排序。
在 FIFO 隊(duì)列中，所有的新元素都插入隊(duì)列的末尾，移除元素從隊(duì)列頭部移除。
Queue使用時(shí)要盡量避免Collection的add()和remove()方法，而是要使用offer()來加入元素，使用poll()來獲取并移出元素。它們的優(yōu)點(diǎn)是通過返回值可以判斷成功與否，add()和remove()方法在失敗的時(shí)候會(huì)拋出異常。如果要使用前端而不移出該元素，使用element()或者peek()方法。
offer 方法可插入一個(gè)元素，否則返回 false。這與 Collection.add 方法不同，該方法只能通過拋出未經(jīng)檢查的異常使添加元素失敗。
remove() 和 poll() 方法可移除和返回隊(duì)列的頭。到底從隊(duì)列中移除哪個(gè)元素是隊(duì)列排序策略的功能，而該策略在各種實(shí)現(xiàn)中是不同的。remove() 和 poll() 方法僅在隊(duì)列為空時(shí)其行為有所不同：remove() 方法拋出一個(gè)異常，而 poll() 方法則返回 null。
element() 和 peek() 返回，但不移除，隊(duì)列的頭。
Queue 實(shí)現(xiàn)通常不允許插入 null 元素，盡管某些實(shí)現(xiàn)（如 LinkedList）并不禁止插入 null。即使在允許 null 的實(shí)現(xiàn)中，也不應(yīng)該將 null 插入到 Queue 中，因?yàn)?null 也用作 poll 方法的一個(gè)特殊返回值，表明隊(duì)列不包含元素。
值得注意的是LinkedList類實(shí)現(xiàn)了Queue接口，因此我們可以把LinkedList當(dāng)成Queue來用。
import java.util.Queue;
import java.util.LinkedList;
public class TestQueue {
public static void main(String[] args) {
Queue<String> queue = new LinkedList<String>();
queue.offer("Hello");
queue.offer("World!");
queue.offer("你好！");
System.out.println(queue.size());
String str;
while((str=queue.poll())!=null){
System.out.print(str);
}
System.out.println();
System.out.println(queue.size());
}
}
2、Deque
public interface Deque<E> extends Queue<E>
一個(gè)線性 collection，支持在兩端插入和移除元素。
名稱 deque 是“double ended queue（雙端隊(duì)列）”的縮寫，通常讀為“deck”。
大多數(shù) Deque 實(shí)現(xiàn)對于它們能夠包含的元素?cái)?shù)沒有固定限制，但此接口既支持有容量限制的雙端隊(duì)列，也支持沒有固定大小限制的雙端隊(duì)列。
此接口定義在雙端隊(duì)列兩端訪問元素的方法。提供插入、移除和檢查元素的方法。因?yàn)榇私涌诶^承了隊(duì)列接口Queue，所以其每種方法也存在兩種形式：一種形式在操作失敗時(shí)拋出異常，另一種形式返回一個(gè)特殊值（null 或 false，具體取決于操作）。
a、在將雙端隊(duì)列用作隊(duì)列時(shí)，將得到 FIFO（先進(jìn)先出）行為。將元素添加到雙端隊(duì)列的末尾，從雙端隊(duì)列的開頭移除元素。從 Queue 接口繼承的方法完全等效于 Deque 方法，如下表所示：
b、用作 LIFO（后進(jìn)先出）堆棧。應(yīng)優(yōu)先使用此接口而不是遺留 Stack 類。在將雙端隊(duì)列用作堆棧時(shí)，元素被推入雙端隊(duì)列的開頭并從雙端隊(duì)列開頭彈出。堆棧方法完全等效于 Deque 方法，如下表所示：
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