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Java 集合框架：Vector、Stack 的介绍、使用、原理与源码解析
2024-06-27 06:00:04基础资料围观274次
大家好，我是栗筝i，这篇文章是我的 “栗筝i 的 Java 技术栈” 专栏的第 015 篇文章，在 “栗筝i 的 Java 技术栈” 这个专栏中我会持续为大家更新 Java 技术相关全套技术栈内容。专栏的主要目标是已经有一定 Java 开发经验，并希望进一步完善自己对整个 Java 技术体系来充实自己的技术栈的同学。与此同时，本专栏的所有文章，也都会准备充足的代码示例和完善的知识点梳理，因此也十分适合零基础的小白和要准备工作面试的同学学习。当然，我也会在必要的时候进行相关技术深度的技术解读，相信即使是拥有多年 Java 开发经验的从业者和大佬们也会有所收获并找到乐趣。
–
Java 集合框架（Java Collections Framework）是 Java 标准库中的一个核心组件，它提供了一套用于处理数据集合的接口和类。作为其中的重要成员，Vector 和 Stack 在特定场景中扮演着关键角色。Vector 是一种同步的动态数组，实现了 List 接口，适用于需要线程安全的场景；而 Stack 是 Vector 的子类，提供了后进先出（LIFO）的数据结构操作。本文将对 Vector 和 Stack 进行全面的介绍，探讨它们的使用方法、工作原理以及源码实现，以帮助开发者深入理解和高效使用这些集合类。同时，通过源码解析，我们将揭示其内部机制，为优化和定制提供有力支持。
文章目录
1、 Vector 与 Stack
写在前面：在开始介绍 Vector 与 Stack 之前，我们首先应该了解的是 Vector 与 Stack 这两个类在如今的 Java 版本中都早已过时，在 Java 出于对向后兼容性的考虑，才没有删除。但是我们不会因此认为 Vector 与 Stack 的实现是没有必要了解了，因为二者依旧会偶尔出现在面试问题当中。
1.1、Vector 概述
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。
Vector 的思路和 ArrayList 基本是相同的，底层是数组保存元素，Vector 默认的容量是10，有一个增量系数，如果指定，那么每次都会增加一个系数的大小，否则就扩大一倍。
Vector 扩容的时候，其实就是数组的复制，其实还是比较耗时间的，所以，我们使用的时候应该尽量避免比较消耗时间的扩容操作。
Vector 和 ArrayList 最大的不同，是它是线程安全的，几乎每一个方法都加上了 Synchronize 关键字，所以它的效率相对也比较低一点。ArrayList 如果需要线程安全，可以使用 Collections.synchronizedList(new ArrayList(...)); 方法，获取一个线程安全的 List。
1.2、Stack 概述
Stack 是 Java 集合框架中的一个类，它继承自 Vector，因此它本质上也是一个线程安全的动态数组。但是，Stack 类被设计为了一个后进先出（LIFO, Last In First Out）的数据结构，通常被称为栈。
栈：一种特殊的线性表，其只允许在固定的一端进行插入和删除元素操作。进行数据插入和删除操作的一端称为栈顶，另一端称为栈底。栈中的数据元素遵守后进先出LIFO（Last In First Out）的原则。
- 压栈：栈的插入操作叫做进栈/压栈/入栈，入数据在栈顶；
- 出栈：栈的删除操作叫做出栈。出数据在栈顶。
2、Vector 的具体实现原理
2.1、Vector 底层的数据结构
与 ArrayList 类似（基本一致），Vector 内部也使用了动态数组来存储元素。
package java.util;
import ...
public class Vector<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
// 省略其他方法和实现细节
...
// 存储元素的数组
protected Object[] elementData;
// 当前向量中元素的数量
protected int elementCount;
// 容量增量，用于指定每次容量不足时增长的大小，如果小于等于0，则每次增长一倍
protected int capacityIncrement;
/**
* 构造一个具有指定初始容量和容量增量的空向量。
*
* @param initialCapacity 向量的初始容量
* @param capacityIncrement 向量的容量增量
* @throws IllegalArgumentException 如果指定的初始容量是负数
*/
public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
this.capacityIncrement = capacityIncrement;
}
/**
* 构造一个具有指定初始容量的空向量，其容量增量等于零。
*
* @param initialCapacity 向量的初始容量
* @throws IllegalArgumentException 如果指定的初始容量是负数
*/
public Vector(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, 0);
}
/**
* 构造一个空的向量，使其内部数据数组的大小为10，标准容量增量为零。
*/
public Vector() {
this(10);
}
// 省略其他方法和实现细节
...
}
2.2、Vector 的扩容
Vector 的扩容方式依旧与 ArrayList 相同，当元素数量超过当前容量时，Vector 会复制一个新的更大容量的数组。可能在扩容上的主要不同就是 Array 的一次扩容为原数组的 1.5 倍（int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)） 而 Vector 的扩容在不指定 capacityIncrement 的值得情况下为 2 倍（int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ? capacityIncrement : oldCapacity); ）。
public class Vector<E>
extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
// ... 其他成员变量和方法 ...
// 容量增量，用于指定每次容量不足时增长的大小，如果小于等于 0，则每次增长一倍
protected int capacityIncrement;
// ... 其他成员变量和方法 ...
/**
* 将指定的元素作为此向量的最后一个元素插入。
*
* @param obj 要添加到此向量的元素
* @throws NullPointerException 如果指定的元素为 {@code null} 并且此向量不允许 null 元素
* (由具体实现决定)
*/
public synchronized void addElement(E obj) {
modCount++; // 修改计数器增加，表示结构已修改
ensureCapacityHelper(elementCount + 1); // 确保容量足够
elementData[elementCount++] = obj; // 在当前末尾添加元素，并更新元素计数
}
/**
* 辅助方法，确保此向量的容量至少为指定的最小容量。
* 如果当前容量小于最小容量，则增加容量。
*
* @param minCapacity 所需的最小容量
*/
private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {
// overflow-conscious code（防止溢出的代码）
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity); // 如果最小容量大于当前容量，则增加容量
}
/**
* 增加此向量的容量，以确保其至少能容纳指定的最小容量。
* 如果指定的最小容量大于当前容量，则此向量的容量将增加至大于或等于最小容量的最小可能值。
*
* @param minCapacity 所需的最小容量
*/
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code（防止溢出的代码）
int oldCapacity = elementData.length;
// 根据 capacityIncrement（如果大于0）或当前容量来计算新容量
int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
capacityIncrement : oldCapacity);
// 如果新容量仍然小于最小容量，则直接使用最小容量
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 检查新容量是否超过 MAX_ARRAY_SIZE，如果是，则调用 hugeCapacity 方法获取适当的大小
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// 使用新的容量复制数组
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
// ... 其他成员变量和方法 ...
}
2.3、Vector 对线程安全的实现
Vector 类和 ArrayList 类的最大区别在于线程安全性。Vector 类是线程安全的，可以在多线程环境中使用，但是性能相对较低。而 ArrayList 类不是线程安全的，性能相对较高。
而 Vector 的线程安全性的实现方式就是在与 Array 基本相同的方法之前加 synchronized 关键字。
public class Vector<E>
extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
// ... 其他成员变量和方法 ...
public synchronized E get(int index) {...}
public synchronized E set(int index, E element) {...}
public boolean remove(Object o) {...}
public void add(int index, E element) {...}
// ... 其他成员变量和方法 ...
}
3、Stack 的具体实现原理
Stack 的具体实现十分简单“
/**
* Stack 类表示后进先出（LIFO）的对象堆栈。
* 它继承自 Vector 类，提供了堆栈的一些基本操作，如 push、pop、peek 等。
*
* @param <E> 堆栈中元素的类型
*/
public class Stack<E> extends Vector<E> {
/**
* 无参构造函数，创建一个空的 Stack 实例。
*/
public Stack() {
}
/**
* 将指定的元素推入此堆栈顶部。
*
* @param item 要推入堆栈顶部的元素
* @return 被推入堆栈的元素
*/
public E push(E item) {
addElement(item);
return item;
}
/**
* 从此堆栈中弹出顶部对象，并返回该对象作为此函数的值。
*
* @return 堆栈顶部的元素（即最后一个添加的元素）
* @throws EmptyStackException 如果此堆栈为空
*/
public synchronized E pop() {
E obj;
int len = size();
obj = peek();
removeElementAt(len - 1);
return obj;
}
/**
* 查看堆栈顶部的对象，但不从堆栈中移除它。
*
* @return 堆栈顶部的元素（即最后一个添加的元素）
* @throws EmptyStackException 如果此堆栈为空
*/
public synchronized E peek() {
int len = size();
if (len == 0)
throw new EmptyStackException();
return elementAt(len - 1);
}
/**
* 测试此堆栈是否为空。
*
* @return 如果此堆栈不包含任何项，则返回 true；否则返回 false
*/
public boolean empty() {
return size() == 0;
}
/**
* 返回此堆栈中最后一次出现的指定元素的索引（从 1 开始），
* 如果堆栈不包含此元素，则返回 -1。
*
* @param o 要搜索的元素
* @return 最后一次出现指定元素的索引（从 1 开始），如果未找到则返回 -1
*/
public synchronized int search(Object o) {
int i = lastIndexOf(o);
if (i >= 0) {
return size() - i;
}
return -1;
}
// 序列化 ID 用于版本控制
private static final long serialVersionUID = 1224463164541339165L;
}
4、Vector 与 Stack 的过时原因与替代类
4.1、不推荐使用 Vector 来实现线程安全的原因
在 Java 中，不推荐使用 Vector 来实现线程安全的 ArrayList，主要原因有以下几点：
-
同步机制效率低下：
Vector的所有方法都被同步（synchronized）了，这意味着每次对Vector的操作都会获取并释放锁。这种方式会导致大量的上下文切换和锁竞争，影响性能。特别是在高并发环境下，这种同步机制会成为瓶颈。 -
过时的设计：
Vector是 Java 1.0 引入的类，当时并没有考虑到并发编程的高效实现。后来，Java 引入了更高效的并发集合类，如java.util.concurrent包下的集合类，这些类在设计时充分考虑了并发环境下的性能问题。 -
更好的替代品：Java引入了
Collections.synchronizedList方法，可以将普通的ArrayList包装成线程安全的集合。此外，java.util.concurrent包下提供了更现代化的并发集合类，如CopyOnWriteArrayList，它们在并发场景下表现更好。
一些替代Vector的推荐方法和类：
- 使用
Collections.synchronizedList：可以将一个普通的ArrayList转换为线程安全的集合 - 使用
CopyOnWriteArrayList：CopyOnWriteArrayList是java.util.concurrent包提供的线程安全的列表实现，它在写操作时进行复制，因此在并发读多写少的场景下性能较好
4.2、Stack 过时的原因
同样的，Java 中的 Stack 类已经被标记为过时（deprecated）。从 Java 1.2 版本开始，Stack 类就不再被推荐使用。Java 官方建议使用 Deque（双端队列）来替代 Stack，因为 Deque 提供了与 Stack 类似的操作方法，如 push()、pop()、peek() 和 isEmpty() 等，同时还具有更灵活和高效的特点。
具体来说，Deque是一个接口，它支持在两端插入和删除元素，因此可以很方便地实现栈（Stack）的功能。而且，Deque接口的实现类（如LinkedList）在性能上通常优于Stack类。
以下是关于 Stack 类过时的一些关键点和原因：
- 历史遗留：Stack 类作为 Java 早期版本中的一个类，虽然提供了栈的基本功能，但随着 Java 集合框架的不断发展，更先进、更灵活的数据结构被引入，使得 Stack 类逐渐失去了其优势地位。
- 功能限制：Stack 类在功能上存在一些限制，比如它不支持并发访问，这在多线程编程中可能会导致问题。此外，Stack类的继承结构也使其在某些场景下使用不够灵活。
- 性能考虑：与 Deque 等现代数据结构相比，Stack 类在性能上可能存在不足。例如，Stack 类在插入和删除元素时可能需要进行额外的操作，从而降低了其效率。
- 替代方案：Java 提供了多种替代 Stack 类的方案，其中最常用的是 Deque 接口的实现类（如 LinkedList）。这些替代方案不仅提供了与 Stack 类类似的功能，而且在性能、灵活性和可扩展性方面都优于 Stack类。
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