Java数据结构漫谈-Stack

Stack(栈)是一种比较典型的数据结构，其元素满足后进先出(LIFO)的特点。

Java中Stack的实现继承自Vector，所以其天然的具有了一些Vector的特点，所以栈也是线程安全的。

class Stack<E> extends Vector<E> {

事实上，除了继承自Vector的那些方法之外，Stack只提供了5个方法：

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

        return item;
    }

    public synchronized E pop() {
        E       obj;
        int     len = size();

        obj = peek();
        removeElementAt(len - 1);

        return obj;
    }

    public synchronized E peek() {
        int     len = size();

        if (len == 0)
            throw new EmptyStackException();
        return elementAt(len - 1);
    }

    public boolean empty() {
        return size() == 0;
    }

    public synchronized int search(Object o) {
        int i = lastIndexOf(o);

        if (i >= 0) {
            return size() - i;
        }
        return -1;
    }

push函数是用来向Stack的顶部压入一个元素，影响其性能的是 addElement的性能：

    public synchronized void addElement(E obj) {
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        elementData[elementCount++] = obj;
    }

可以看出，其方法是在Vector的最后加入一个元素，其时间复杂度是o(1)。

peek函数是从查看栈顶元素，但是不删除。其性能主要是由Vector的elementAt函数决定的：

    public synchronized E elementAt(int index) {
        if (index >= elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " + elementCount);
        }

        return elementData(index);
    }

    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }

由于Vector的底层是数组实现的，通过下标可以直接进行定位，所以peek的时间复杂度也是o(1)。

pop函数是移除并获取到栈顶元素，在源码中可以看到，这里调用peek获取了栈顶元素，使用removeElementAt来删除栈顶元素，这个函数也正是决定pop性能的关键：

    public synchronized void removeElementAt(int index) {
        modCount++;
        if (index >= elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " +
                                                     elementCount);
        }
        else if (index < 0) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
        }
        int j = elementCount - index - 1;
        if (j > 0) {
            System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, j);
        }
        elementCount--;
        elementData[elementCount] = null; /* to let gc do its work */
    }

咋一看来，这里删除一个元素之后，都会对数组中的元素进行复制调整，时间复杂度是o(n)，但是考虑到传进来的index值的特殊性：

index = elementCount -1；

这样的话if(j>0)的条件永远都不会成立，因为j永远都是0，中间复制调整元素的操作就避免了，仅仅是在最后把Vector最后的值赋值为null，时间复杂度是o(1)。

search是查找一个元素在Stack中的index，这里起作用的是Vector的lastIndexOf函数，代码如下：

    public synchronized int lastIndexOf(Object o) {
        return lastIndexOf(o, elementCount-1);
    }

    public synchronized int lastIndexOf(Object o, int index) {
        if (index >= elementCount)
            throw new IndexOutOfBoundsException(index + " >= "+ elementCount);

        if (o == null) {
            for (int i = index; i >= 0; i--)
                if (elementData[i]==null)
                    return i;
        } else {
            for (int i = index; i >= 0; i--)
                if (o.equals(elementData[i]))
                    return i;
        }
        return -1;
    }

可以看出，查找的过程是从后向前，挨个比较，其时间复杂度必然是o(n)。

 

Stack是Vector的子类，所以Vector的函数这里也适用，这里不再赘述，在Vector相关的介绍文章中会有。

Stack是线程安全的，所以其性能必然受到影响，如果需要使用一个非线程安全的Stack，可以直接使用LinkedList，LinkedList本身提供的方法就包含了Stack的操作。