JAVA提高十八：Vector&Stack深入分析

前面我们已经接触过几种数据结构了，有数组、链表、Hash表、红黑树(二叉查询树)，今天再来看另外一种数据结构：栈。

什么是栈呢，我们先看一个例子：栈就相当于一个很窄的木桶，我们往木桶里放东西，往外拿东西时会发现，我们最开始放的东西在最底部，最先拿出来的是刚刚放进去的。所以，栈就是这么一种先进后出（ First In Last Out，或者叫后进先出） 的容器，它只有一个口，在这个口放入元素，也在这个口取出元素。那么我们接下来学习JDK中的栈。

一、Vector&Stack的基本介绍和使用

我们先看下JDK种的定义：

public
class Stack<E> extends Vector<E> {

从上面可以看到Stack 是继承自于Vector的，因此我们要对Vector 也要有一定的认识。

Vector：线程安全的动态数组

Stack：继承Vector，基于动态数组实现的一个线程安全的栈；

1.Vector 和 Stack的特点：

Vector与ArrayList基本是一致的，不同的是Vector是线程安全的，会在可能出现线程安全的方法前面加上synchronized关键字；

Vector：随机访问速度快，插入和移除性能较差(数组的特点)；支持null元素；有顺序；元素可以重复；线程安全；

Stack：后进先出，实现了一些栈基本操作的方法（其实并不是只能后进先出，因为继承自Vector，可以有很多操作，从某种意义上来讲，不是一个栈）；

2.Vector 和 Stack 结构：

Vector类

与ArrayList基本一致，剩下的主要不同点如下：

1、Vector是线程安全的

2、ArrayList增长量和Vector的增长量不一致

其它，如构造方法不一致，Vector可以通过构造方法初始化capacityIncrement，另外还有其它一些方法，如indexOf方法，Vector支持从指定位置开始搜索查找；另外，Vector还有一些功能重复的冗余方法，如addElement，setElementAt方法，之所以这样，是由于历史原因，像addElement方法是以前遗留的，当集合框架引进的时候，Vector加入集合大家族，改成实现List接口，需要实现List接口中定义的一些方法，但是出于兼容考虑，又不能删除老的方法，所以出现了一些功能冗余的旧方法；现在已经被ArrayList取代，基本很少使用，了解即可。

Stack类

实现了栈的基本操作。方法如下：

public Stack();

创建空栈

public synchronized E peek();

返回栈顶的值；

public E push(E item);

入栈操作；

public synchronized E pop();

出栈操作；

public boolean empty();

判断栈是否为空；

public synchronized int search(Object o);

返回对象在栈中的位置；

对于上述的栈而言，我们基本只会经常用到上面的方法，虽然它继承了Vector，有很多方法，但基本不会使用，而只是当做一个栈来看待。

3.基本使用

Vector中的部分方法使用如下，另外Vector的遍历方式跟ArrayList一致，可以用foreach，迭代器，for循环遍历；

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，因为Stack继承Vector，所以Vector可以用的方法，Stack同样可以使用，以下列出一些Stack独有的方法的例子，很简单，就是栈的一些基本操作,另外stack除了Vector的几种遍历方式外，还有自己独有的遍历元素的方式（利用empty方法和pop方法实现栈顶到栈底的遍历）：

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遍历：");
        while(!stack.empty()){
            System.out.print(stack.pop() + " ");
        }
    }
}

小节：

Vector是线程安全的，但是性能较差，一般情况下使用ArrayList,除非特殊需求；

如果打算用Stack作为栈来使用的话，就老老实实严格按照栈的几种操作来使用，否则就是去了使用stack的意义，还不如用Vector;

二、Vector&Stacke的结构和底层存储

public class Vector<E>
    extends AbstractList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

Vector是List的一个实现类，其实Vector也是一个基于数组实现的List容器，其功能及实现代码和ArrayList基本上是一样的。那么不一样的是什么地方的，一个是数组扩容的时候，Vector是*2，ArrayList是*1.5+1；另一个就是Vector是线程安全的，而ArrayList不是，而Vector线程安全的做法是在每个方法上面加了一个synchronized关键字来保证的。但是这里说一句，Vector已经不官方的（大家公认的）不被推荐使用了，正式因为其实现线程安全方式是锁定整个方法，导致的是效率不高，那么有没有更好的提到方案呢，其实也不能说有，但是还真就有那么一个，Collections.synchronizedList()

由于Stack是继承和基于Vector，那么简单看一下Vector的一些定义和方法源码：

// 底层使用数组存储数据
    protected Object[] elementData;
    // 元素个数
    protected int elementCount ;
    // 自定义容器扩容递增大小
    protected int capacityIncrement ;

    public Vector( int initialCapacity, int capacityIncrement) {
        super();
        // 越界检查
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException( "Illegal Capacity: " +
                                               initialCapacity);
        // 初始化数组
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
        this.capacityIncrement = capacityIncrement;
    }

    // 使用synchronized关键字锁定方法，保证同一时间内只有一个线程可以操纵该方法
    public synchronized boolean add(E e) {
        modCount++;
       // 扩容检查
       ensureCapacityHelper( elementCount + 1);
        elementData[elementCount ++] = e;
        return true;
    }

    private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {
        // 当前元素数量
        int oldCapacity = elementData .length;
        // 是否需要扩容
        if (minCapacity > oldCapacity) {
           Object[] oldData = elementData;
           // 如果自定义了容器扩容递增大小，则按照capacityIncrement进行扩容，否则按两倍进行扩容（*2）
           int newCapacity = (capacityIncrement > 0) ?
              (oldCapacity + capacityIncrement) : (oldCapacity * 2);
           if (newCapacity < minCapacity) {
              newCapacity = minCapacity;
           }
           // 数组copy
            elementData = Arrays.copyOf( elementData, newCapacity);
       }
    }

Vector就简单看到这里，其他方法Stack如果没有调用的话就不进行分析了，不明白的可以去看ArrayList源码解析。

三、主要方法分析

1.peek()——获取栈顶的对象

/**
     * 获取栈顶的对象，但是不删除
     */
    public synchronized E peek() {
        // 当前容器元素个数
        int   len = size();

        // 如果没有元素，则直接抛出异常
        if (len == 0)
           throw new EmptyStackException();
        // 调用elementAt方法取出数组最后一个元素（最后一个元素在栈顶）
        return elementAt(len - 1);
    }

    /**
     * 根据index索引取出该位置的元素，这个方法在Vector中
     */
    public synchronized E elementAt(int index) {
        // 越界检查
        if (index >= elementCount ) {
           throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " + elementCount);
       }

        // 直接通过数组下标获取元素
        return (E)elementData [index];
    }

2.pop()——弹栈（出栈），获取栈顶的对象，并将该对象从容器中删除

/**
     * 弹栈，获取并删除栈顶的对象
     */
    public synchronized E pop() {
        // 记录栈顶的对象
       E      obj;
        // 当前容器元素个数
        int   len = size();

       // 通过peek()方法获取栈顶对象
       obj = peek();
       // 调用removeElement方法删除栈顶对象
       removeElementAt(len - 1);

       // 返回栈顶对象
        return obj;
    }

    /**
     * 根据index索引删除元素
     */
    public synchronized void removeElementAt(int index) {
        modCount++;
        // 越界检查
        if (index >= elementCount ) {
           throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " +
                                              elementCount);
       }
        else if (index < 0) {
           throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
       }
        // 计算数组元素要移动的个数
        int j = elementCount - index - 1;
        if (j > 0) {
           // 进行数组移动，中间删除了一个，所以将后面的元素往前移动（这里直接移动将index位置元素覆盖掉，就相当于删除了）
           System. arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, j);
       }
        // 容器元素个数减1
        elementCount--;
        // 将容器最后一个元素置空（因为删除了一个元素，然后index后面的元素都向前移动了，所以最后一个就没用了 ）
        elementData[elementCount ] = null; /* to let gc do its work */
    }

3.push(E item)——压栈（入栈），将对象添加进容器并返回

/**
     * 将对象添加进容器并返回
     */
    public E push(E item) {
       // 调用addElement将元素添加进容器
       addElement(item);
       // 返回该元素
        return item;
    }

    /**
     * 将元素添加进容器，这个方法在Vector中
     */
    public synchronized void addElement(E obj) {
        modCount++;
       // 扩容检查
       ensureCapacityHelper( elementCount + 1);
       // 将对象放入到数组中，元素个数+1
        elementData[elementCount ++] = obj;
    }

4.search(Object o)——返回对象在容器中的位置，栈顶为1

/**
     * 返回对象在容器中的位置，栈顶为1
     */
    public synchronized int search(Object o) {
        // 从数组中查找元素，从最后一次出现
        int i = lastIndexOf(o);

        // 因为栈顶算1，所以要用size()-i计算
        if (i >= 0) {
           return size() - i;
       }
        return -1;
    }

5.empty()——容器是否为空

/**
     * 检查容器是否为空
     */
    public boolean empty() {
        return size() == 0;
    }

小节：

到这里Stack的方法就分析完成了，由于Stack最终还是基于数组的，理解起来还是很容易的（因为有了ArrayList的基础啦）。

虽然jdk中Stack的源码分析完了，但是这里有必要讨论下，不知道是否发现这里的Stack很奇怪的现象，

（1）Stack为什么是基于数组实现的呢？

 我们都知道数组的特点：方便根据下标查询（随机访问），但是内存固定，且扩容效率较低。很容易想到Stack用链表实现最合适的。

（2）Stack为什么是继承Vector的？

继承也就意味着Stack继承了Vector的方法，这使得Stack有点不伦不类的感觉，既是List又是Stack。如果非要继承Vector合理的做法应该是什么：Stack不继承Vector，而只是在自身有一个Vector的引用，聚合对不对？

唯一的解释呢，就是Stack是jdk1.0出来的，那个时候jdk中的容器还没有ArrayList、LinkedList等只有Vector，既然已经有了Vector且能实现Stack的功能，那么就干吧。。。

既然用链表实现Stack是比较理想的，那么我们就来尝试一下吧：

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();
       }
}

这里使用的LinkedList实现的Stack，记得在LinkedList中说过，LinkedList实现了Deque接口使得它既可以作为栈（先进后出），又可以作为队列（先进先出）。

四、Vector&ArrayList的区别

List接口一共有三个实现类，分别是ArrayList、Vector和LinkedList。List用于存放多个元素，能够维护元素的次序，并且允许元素的重复。

3个具体实现类的相关区别如下：

1.ArrayList是最常用的List实现类，内部是通过数组实现的，它允许对元素进行快速随机访问。数组的缺点是每个元素之间不能有间隔，当数组大小不满足时需要增加存储能力，就要讲已经有数组的数据复制到新的存储空间中。当从ArrayList的中间位置插入或者删除元素时，需要对数组进行复制、移动、代价比较高。因此，它适合随机查找和遍历，不适合插入和删除。
2.Vector与ArrayList一样，也是通过数组实现的，不同的是它支持线程的同步，即某一时刻只有一个线程能够写Vector，避免多线程同时写而引起的不一致性，但实现同步需要很高的花费，因此，访问它比访问ArrayList慢。
3.LinkedList是用链表结构存储数据的，很适合数据的动态插入和删除，随机访问和遍历速度比较慢。另外，他还提供了List接口中没有定义的方法，专门用于操作表头和表尾元素，可以当作堆栈、队列和双向队列使用。

五、队列Queue、双端队列Deque简单了解

1、Queue

在java5中新增加了java.util.Queue接口，用以支持队列的常见操作。该接口扩展了java.util.Collection接口。

public interface Queue<E>
    extends Collection<E>  

除了基本的 Collection 操作外，队列还提供其他的插入、提取和检查操作。

每个方法都存在两种形式：一种抛出异常（操作失败时），另一种返回一个特殊值（null 或 false，具体取决于操作）。

队列通常（但并非一定）以 FIFO（先进先出）的方式排序各个元素。不过优先级队列和 LIFO 队列（或堆栈）例外，前者根据提供的比较器或元素的自然顺序对元素进行排序，后者按 LIFO（后进先出）的方式对元素进行排序。

在 FIFO 队列中，所有的新元素都插入队列的末尾，移除元素从队列头部移除。

Queue使用时要尽量避免Collection的add()和remove()方法，而是要使用offer()来加入元素，使用poll()来获取并移出元素。它们的优点是通过返回值可以判断成功与否，add()和remove()方法在失败的时候会抛出异常。 如果要使用前端而不移出该元素，使用element()或者peek()方法。

offer 方法可插入一个元素，否则返回 false。这与 Collection.add 方法不同，该方法只能通过抛出未经检查的异常使添加元素失败。

remove() 和 poll() 方法可移除和返回队列的头。到底从队列中移除哪个元素是队列排序策略的功能，而该策略在各种实现中是不同的。remove() 和 poll() 方法仅在队列为空时其行为有所不同：remove() 方法抛出一个异常，而 poll() 方法则返回 null。

element() 和 peek() 返回，但不移除，队列的头。

Queue 实现通常不允许插入 null 元素，尽管某些实现（如 LinkedList）并不禁止插入 null。即使在允许 null 的实现中，也不应该将 null 插入到 Queue 中，因为 null 也用作 poll 方法的一个特殊返回值，表明队列不包含元素。

值得注意的是LinkedList类实现了Queue接口，因此我们可以把LinkedList当成Queue来用。

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> 

一个线性 collection，支持在两端插入和移除元素。

名称 deque 是“double ended queue（双端队列）”的缩写，通常读为“deck”。

大多数 Deque 实现对于它们能够包含的元素数没有固定限制，但此接口既支持有容量限制的双端队列，也支持没有固定大小限制的双端队列。

此接口定义在双端队列两端访问元素的方法。提供插入、移除和检查元素的方法。因为此接口继承了队列接口Queue，所以其每种方法也存在两种形式：一种形式在操作失败时抛出异常，另一种形式返回一个特殊值（null 或 false，具体取决于操作）。

a、在将双端队列用作队列时，将得到 FIFO（先进先出）行为。将元素添加到双端队列的末尾，从双端队列的开头移除元素。从 Queue 接口继承的方法完全等效于 Deque 方法，如下表所示：

b、用作 LIFO（后进先出）堆栈。应优先使用此接口而不是遗留 Stack 类。在将双端队列用作堆栈时，元素被推入双端队列的开头并从双端队列开头弹出。堆栈方法完全等效于 Deque 方法，如下表所示：

参考资料:

http://www.importnew.com/17650.html

http://uule.iteye.com/blog/2095650?utm_source=tuicool

https://www.cnblogs.com/chenpi/p/5258450.html