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为什么Java已经不推荐使用Stack了?

编程知识
2024年09月10日 21:16

为什么不推荐使用Stack

Java已不推荐使用Stack,而是推荐使用更高效的ArrayDeque

为什么不推荐使用

  • 性能低:是因为 Stack 继承自 Vector, 而 Vector 在每个方法中都加了锁。由于需要兼容老的项目,很难在原有的基础上进行优化,因此 Vector 就被淘汰掉了,使用 ArrayListCopyOnWriteArrayList 来代替,如果在非线程安全的情况下可以使用 ArrayList,线程安全的情况下可以使用 CopyOnWriteArrayList

  • 破坏了原有的数据结构:栈的定义是在一端进行 push 和 pop 操作,除此之外不应该包含其他 入栈和出栈 的方法,但是 Stack 继承自 Vector,使得 Stack 可以使用父类 Vector 公有的方法。

为什么现在还在用

但是为什么还有很多人在使用 Stack。总结了一下主要有两个原因。

  • JDK 官方是不推荐使用 Stack,之所以还有很多人在使用,是因为 JDK 并没有加 deprecation 注解,只是在文档和注释中声明不建议使用,但是很少有人会去关注其实现细节

  • 更多的是为了笔试面试在做算法题的时候,关注点在解决问题的算法逻辑思路上,并不会关注在不同语言下 Stack 实现细节,但是对于使用 Java 语言的业务开发者,不仅需要关注算法逻辑本身,也需要关注它的实现细节

为什么推荐使用 Deque 接口替换栈

如果 JDK 不推荐使用 Stack,那应该使用什么集合类来替换栈,一起看看官方的文档。

正如图中标注部分所示,栈的相关操作应该由 Deque 接口来提供,推荐使用 Deque 这种数据结构, 以及它的子类,例如 ArrayDeque。

val stack: Deque<Int> = ArrayDeque()

使用 Deque 接口来实现栈的功能有什么好处:

  • 速度比 Stack 快

这个类作为栈使用时可能比 Stack 快,作为队列使用时可能比 LinkedList 快。因为原来的 Java 的 Stack 继承自 Vector,而 Vector 在每个方法中都加了锁,而 Deque 的子类 ArrayDeque 并没有锁的开销。

  • 屏蔽掉无关的方法

原来的 Java 的 Stack,包含了在任何位置添加或者删除元素的方法,这些不是栈应该有的方法,所以需要屏蔽掉这些无关的方法。声明为 Deque 接口可以解决这个问题,在接口中声明栈需要用到的方法,无需管子类是如何是实现的,对于上层使用者来说,只可以调用和栈相关的方法。

Stack 和 ArrayDeque的 区别

集合类型 数据结构 是否线程安全
Stack 数组
ArrayDeque 数组

Stack 常用的方法如下所示:

操作 方法
入栈 push(E item)
出栈 pop()
查看栈顶 peek() 为空时返回 null

ArrayDeque 常用的方法如下所示:

操作 方法
入栈 push(E item)
出栈 poll() 栈为空时返回 nullpop() 栈为空时会抛出异常
查看栈顶 peek() 为空时返回 null

Queue介绍

Java里有一个叫做Stack的类,却没有叫做Queue的类(它是个接口名字)。当需要使用栈时,Java已不推荐使用Stack,而是推荐使用更高效的ArrayDeque;既然Queue只是一个接口,当需要使用队列时也就首选ArrayDeque了(次选是LinkedList)。

Queue

Queue接口继承自Collection接口,除了最基本的Collection的方法之外,它还支持额外的insertion, extraction和inspection操作。这里有两组格式,共6个方法,一组是抛出异常的实现;另外一组是返回值的实现(没有则返回null)。

Deque

Deque 是"double ended queue", 表示双向的队列,英文读作"deck". Deque 继承自 Queue接口,除了支持Queue的方法之外,还支持 insert , remove 和 examine操作,由于Deque是双向的,所以可以对队列的头和尾都进行操作,它同时也支持两组格式,一组是抛出异常的实现;另外一组是返回值的实现(没有则返回null)。共12个方法如下:

当把 Deque 当做FIFO的 queue 来使用时,元素是从 deque 的尾部添加,从头部进行删除的; 所以 deque 的部分方法是和 queue 是等同的。具体如下:

Deque的含义是“double ended queue”,即双端队列,它既可以当作栈使用,也可以当作队列使用。下表列出了Deque与Queue相对应的接口:

下表列出了Deque与Stack对应的接口:

上面两个表共定义了Deque的12个接口。添加,删除,取值都有两套接口,它们功能相同,区别是对失败情况的处理不同。一套接口遇到失败就会抛出异常,另一套遇到失败会返回特殊值( false 或 null )。除非某种实现对容量有限制,大多数情况下,添加操作是不会失败的。虽然Deque的接口有12个之多,但无非就是对容器的两端进行操作,或添加,或删除,或查看。

ArrayDeque和LinkedList是Deque的两个通用实现,由于官方更推荐使用AarryDeque用作栈和队列,加之上一篇已经讲解过LinkedList,本文将着重讲解ArrayDeque的具体实现

从名字可以看出ArrayDeque底层通过数组实现,为了满足可以同时在数组两端插入或删除元素的需求,该数组还必须是循环的,即循环数组(circular array),也就是说数组的任何一点都可能被看作起点或者终点。ArrayDeque是非线程安全的(not thread-safe),当多个线程同时使用的时候,需要程序员手动同步;另外,该容器不允许放入 null 元素。

上图中我们看到, head 指向首端第一个有效元素, tail 指向尾端第一个可以插入元素的空位。因为是循环数组,所以 head 不一定总等于0, tail 也不一定总是比 head 大。

方法剖析

addFirst()

addFirst(E e)的作用是在Deque的首端插入元素,也就是在head的前面插入元素,在空间足够且下标没有越界的情况下,只需要将elements[--head] = e即可。

实际需要考虑:

  1. 空间是否够用
  2. 下标是否越界的问题

上图中,如果head为0之后接着调用addFirst(),虽然空余空间还够用,但head为-1,下标越界了。

//addFirst(E e)
public void addFirst(E e) {
    if (e == null)//不允许放入null
        throw new NullPointerException();
    elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;//2.下标是否越界
    if (head == tail)//1.空间是否够用
        doubleCapacity();//扩容
}

上述代码可以看到, 空间问题是在插入之后解决的;首先,因为tail总是指向下一个可插入的空位,也就意味着elements数组至少有一个空位,所以插入元素的时候不用考虑空间问题。

下标越界的处理解决起来非常简单,head = (head - 1) & (elements.length - 1)就可以了,这段代码相当于取余,同时解决了head为负值的情况。因为elements.length必需是2的指数倍,elements - 1就是二进制低位全1,跟head - 1相与之后就起到了取模的作用,如果head - 1为负数(其实只可能是-1),则相当于对其取相对于elements.length的补码。

计算机里数值都是用补码表示的,如果是8位的,-1就是1111 1111,而 (elements.length - 1) 也是 1111 1111,因此两者相与也就是(elements.length - 1);

head = (head - 1) & (elements.length - 1) 最后再让算出的位置赋值给head,因此其实这段代码就是让head再从后往前赋值

扩容函数doubleCapacity(),其逻辑是申请一个更大的数组(原数组的两倍),然后将原数组复制过去。过程如下图所示:

图中可以看到,复制分两次进行,第一次复制head右边的元素,第二次复制head左边的元素。

//doubleCapacity()
private void doubleCapacity() {
    assert head == tail;
    int p = head;
    int n = elements.length;
    int r = n - p; // head右边元素的个数
    int newCapacity = n << 1;//原空间的2倍
    if (newCapacity < 0)
        throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
    Object[] a = new Object[newCapacity];
    System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);//复制右半部分,对应上图中绿色部分
    System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);//复制左半部分,对应上图中灰色部分
    elements = (E[])a;
    head = 0;
    tail = n;
}

addLast()

addLast(E e)的作用是在Deque的尾端插入元素,也就是在tail的位置插入元素,由于tail总是指向下一个可以插入的空位,因此只需要elements[tail] = e;即可。插入完成后再检查空间,如果空间已经用光,则调用doubleCapacity()进行扩容。

public void addLast(E e) {
    if (e == null)//不允许放入null
        throw new NullPointerException();
    elements[tail] = e;//赋值
    if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)//下标越界处理
        doubleCapacity();//扩容
}

pollFirst()

pollFirst()的作用是删除并返回Deque首端元素,也即是head位置处的元素。如果容器不空,只需要直接返回elements[head]即可,当然还需要处理下标的问题。由于ArrayDeque中不允许放入null,当elements[head] == null时,意味着容器为空。

public E pollFirst() {
    int h = head;
    E result = elements[head];
    if (result == null)//null值意味着deque为空
        return null;
    elements[h] = null;//let GC work
    head = (head + 1) & (elements.length - 1);//下标越界处理
    return result;
}

pollLast()

pollLast()的作用是删除并返回Deque尾端元素,也即是tail位置前面的那个元素。

public E pollLast() {
    int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);//tail的上一个位置是最后一个元素
    E result = elements[t];
    if (result == null)//null值意味着deque为空
        return null;
    elements[t] = null;//let GC work
    tail = t;
    return result;
}

peekFirst()

peekFirst()的作用是返回但不删除Deque首端元素,也即是head位置处的元素,直接返回elements[head]即可。

public E peekFirst() {
    return elements[head]; // elements[head] is null if deque empty
}

peekLast()

peekLast()的作用是返回但不删除Deque尾端元素,也即是tail位置前面的那个元素。

public E peekLast() {
    return elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)];
}

关于作者

来自一线程序员Seven的探索与实践,持续学习迭代中~

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