深入分析JAVA Vector和Stack的具体用法

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（FirstInLastOut，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：

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