Java集合底层源码剖析-Vector和Stack

概述

在Java中，Stack 类是一个基于 Vector 实现的经典栈数据结构。由于 Vector 类本身是线程安全的，并且是一个动态数组，因此继承自 Vector 的 Stack 类自然也就具备了这些特性

Vector

Java中的Vector类是一个线程安全的动态数组，它继承自AbstractList并实现了RandomAccess、Cloneable和Serializable、List接口。Vector内部使用一个数组来存储元素，并且设计为在多线程环境下安全使用。
它允许我们存储任何类型的对象，并提供了动态增长的能力。以下是Vector类的一些关键源码解析和重要特性：

成员变量

elementData：一个Object类型的数组，用于存储Vector中的元素。
elementCount：表示当前Vector中实际元素的数量。
capacityIncrement：每次Vector需要扩容时，除了默认的加倍扩容外，额外增加的容量大小。

关键方法

添加元素 (add, addElement)

public synchronized void addElement(E obj) {modCount++;ensureCapacityHelper(elementCount + 1);elementData[elementCount++] = obj;
}private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {if (minCapacity - elementData.length > 0)grow(minCapacity);
}private void grow(int minCapacity) {// 计算新容量，至少为原容量的两倍或满足最小容量需求int oldCapacity = elementData.length;int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?capacityIncrement : oldCapacity);if (newCapacity - minCapacity < 0)newCapacity = minCapacity;// 扩容操作elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

删除元素 (remove)

public synchronized boolean remove(Object o) {return removeElement(o);
}private boolean removeElement(Object obj) {modCount++;for (int i = 0; i < elementCount; i++) {if (obj.equals(elementData[i])) {fastRemove(i);return true;}}return false;
}private void fastRemove(int index) {modCount++;int numMoved = elementCount - index - 1;if (numMoved > 0)System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);elementData[--elementCount] = null; // Let gc do its work
}

注意事项

Vector中的大多数修改方法（如add, remove）都是同步的，这意味着它们在多线程环境中是线程安全的，但这也可能引入性能开销。
由于线程安全的设计，Vector在单线程环境下相比非线程安全的集合（如ArrayList）性能较差。
capacityIncrement参数允许用户自定义每次扩容的增长量，如果不指定，默认情况下每次扩容都会使容量翻倍。
当不再需要Vector对象时，应确保正确地将其设置为null，以便垃圾回收器能够回收其占用的内存资源。

Stack

Java中的Stack类是一个基于Vector实现的类，用于表示后进先出（LIFO，Last-In-First-Out）的数据结构。它提供了基本的栈操作，如压栈（push）、弹栈（pop）和查看栈顶元素（peek）。以下是Stack类的一些关键源码解析：

类定义与继承

public class Stack<E> extends Vector<E> {// 构造方法public Stack() {super();}// ...
}

压栈 (push)

public E push(E item) {addElement(item); // 直接调用Vector的addElement方法添加元素到数组末尾return item;
}

这里，push方法实际上调用了Vector类的addElement方法，该方法负责在数组的末尾添加一个元素。由于Vector是动态数组，如果数组空间不够，它会自动扩容。

弹栈 (pop)

public synchronized E pop() {E obj;int len = size();obj = peek(); // 获取栈顶元素removeElementAt(len - 1); // 移除最后一个元素，即栈顶元素return obj;
}

pop方法是一个同步方法，确保了线程安全。它首先获取栈顶元素（使用peek方法），然后从Vector中移除该元素。由于removeElementAt方法是线程安全的，所以在多线程环境下这个操作是安全的。

查看栈顶元素 (peek)

public synchronized E peek() {int len = size();if (len == 0)throw new EmptyStackException();return elementAt(len - 1); // 返回最后一个元素，即栈顶元素
}

peek方法同样是线程安全的，用于获取但不移除栈顶元素。如果栈为空，则抛出EmptyStackException。

源码解析总结

• 继承结构：Stack类继承自Vector类，这意味着它自动获得了Vector提供的线程安全特性和动态数组的管理能力。Vector 内部维护了一个可自动扩容的数组，当数组空间不足时，会自动进行扩容操作。
• 压栈 (push)：实际上调用了 Vector 的 addElement 方法，该方法在数组末尾添加元素，由于栈的特性是后进先出（LIFO），因此添加在数组末尾正好模拟了这一行为。

弹栈 (pop)：首先获取栈顶元素（通过 peek），然后从数组中移除这个元素。由于 Vector 的 removeElementAt 方法会改变数组的长度，从而实现了出栈操作。此方法被声明为 synchronized，确保了多线程环境下的线程安全。

查看栈顶 (peek)：不改变栈的状态，仅返回栈顶元素。

• 同步操作：Stack类中的许多操作，特别是修改栈状态的方法（如pop和peek），都被声明为synchronized，以确保在多线程环境中的线程安全性。
• 简单封装：Stack类主要是对Vector类提供的方法进行了简单的封装，以符合栈数据结构的LIFO原则。比如，push方法实质上调用了addElement，而pop方法则是组合了获取和移除栈顶元素的操作。

需要注意的是，虽然Stack类提供了方便的栈操作，但在Java集合框架的现代实践中，通常推荐使用Deque接口的实现（如ArrayDeque）作为栈，因为它们提供了更好的性能和灵活性，而不像Stack那样依赖于较为陈旧且同步开销较大的Vector类。