4 堆栈（栈）Stack

4.1 简介

堆栈是一种抽象数据类型，用作元素的集合，具有两个主要的操作：

PUSH：将元素添加到集合
POP：删除最近添加但尚未删除的元素

堆栈是一种 LIFO（后进先出）的线性的数据结构，或者更抽象说是一种顺序集合，push 和 pop 操作只发生在结构的一端，称为栈顶。这种结构可以很容易地从堆栈顶部取出一个项目，而要到达堆栈更深处的一个项目可能需要先取出多个其它项

4.2 实现

Deque 接口及其实现提供了一组更完整和一致的 LIFO 堆栈操作，应优先使用此类。所以我们本章也是以 ArrayDeque 为原型做代码实现

当你真的有场景需要使用后进先出堆栈时，一定是不能使用 Java 提供的 Stack 的。因为这个工具类是在 JDK 1.0 阶段开发的，实现的特别粗糙，包括像 synchronized 锁也是直接加到方法上。同时 JDK Stack 类的注解也提醒，使用 ArrayDeque 替代

4.2.1 ArrayDeque

基于数组实现的堆栈数据结构，在数据存放时元素通过二进制与运算获取对应的索引存放元素。当数组长度超过初始空间后，进行2的n次幂左移一位扩容，并将数组内容的元素按照分半分别进行迁移

堆栈的数据结构是以2的次幂进行初始化，扩容时候为2的倍数。它之所这样是因为保证了在后续计算元素索引位置时，可以进行与运算。也就说 2的n次幂-1 得到的值是一个011111的范围，在与元素索引位置计算时候，找到两个值之间1的位置即可
数据的压栈，压栈是一个在数组中倒放的方式，通过与运算得到索引值。当发生空间不足时扩容迁移数据，会有2次操作。一次是空间的前半段复制，另外一次是后半段复制
最后在数据弹出时，按照空间的元素数量总数开始，同样通过与运算计算索引值。分为弹出队列中未发生迁移的数据，和已经完全迁移好的数据。凡是迁移的数据，都是保证了一个顺序

4.2.2 添加元素

public void push(E e) {
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
    elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
    logger.info("push.idx head：{}", head);
    if (head == tail)
        doubleCapacity();
}

push 元素的过程相当于找到初始化数组长度的队尾
扩容后从新的队尾开始依次添加元素。此时不用担心元素的输出，因为输出时是从扩容起始点开始输出元素

4.2.3 扩容空间

private void doubleCapacity() {
    assert head == tail;
    int p = head;
    int n = elements.length;
    int r = n - p;
    int newCapacity = n << 1;
    if (newCapacity < 0)
        throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
    Object[] a = new Object[newCapacity];
    /*
     * src      - 源数组
     * srcPos   – 源数组中的起始位置
     * dest     - 目标数组
     * destPos  – 目标数据中的起始位置
     * length   – 要复制的数组元素的数量
     */
    // 第一次拷贝元素：[2、1、4、3] 将数组中的扩容后一半元素拷贝到新数组0开始往后的位置。拷贝4、3
    System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);
    // 第二次拷贝元素：[2、1、4、3] 将数组中的前面一半数量的元素，拷贝到新数组后一半开始的位置往后。拷贝2、1
    System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);
    elements = a;
    head = 0;
    tail = n;
}

空间扩容以2的倍数进行操作，以此保证2的幂等。
System.arraycopy 是操作数据迁移的本地方法，从源数组的某个指定位置，把元素迁移到新数组的指定位置和指定个数个元素。
另外是数据迁移，以 [2、1、4、3] 举例；
- 第一次拷贝元素：[2、1、4、3] 将数组中的扩容后一半元素拷贝到新数组0开始往后的位置。拷贝4、3
- 第二次拷贝元素：[2、1、4、3] 将数组中的前面一半数量的元素，拷贝到新数组后一半开始的位置往后。拷贝2、1

4.2.4 弹出元素

public E pop() {
    int h = head;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E result = (E) elements[h];
    if (result == null) {
        return null;
    }
    elements[h] = null;
    head = (h + 1) & (elements.length - 1);
    logger.info("pop.idx {} = {} & {}", head, Integer.toBinaryString(h + 1), Integer.toBinaryString(elements.length - 1));
    return result;
}

按照索引的计算，以此是弹出索引为：6、7、0、1、2、3、4 对应的元素。head 的值从扩容的长度添加元素后逐步减小，所以当前最开始弹出的元素是6索引对应的值

4.2.5 测试

@Test
public void test_stack() {
    Deque<Integer> deque = new ArrayDeque<>();
    deque.push(1);
    deque.push(2);
    deque.push(3);
    deque.push(4);
    deque.push(5);
    deque.push(6);
    deque.push(7);
    
    logger.info("弹出元素：{}", deque.pop());
    logger.info("弹出元素：{}", deque.pop());
    logger.info("弹出元素：{}", deque.pop());
    logger.info("弹出元素：{}", deque.pop());
    logger.info("弹出元素：{}", deque.pop());
    logger.info("弹出元素：{}", deque.pop());
}

Run

 INFO - push.idx head：1
 INFO - push.idx head：0
 INFO - push.idx head：3
 INFO - push.idx head：2
 INFO - push.idx head：7
 INFO - push.idx head：6
 INFO - push.idx head：5
 INFO - pop.idx 6 = 110 & 111
 INFO - 弹出元素：7
 INFO - pop.idx 7 = 111 & 111
 INFO - 弹出元素：6
 INFO - pop.idx 0 = 1000 & 111
 INFO - 弹出元素：5
 INFO - pop.idx 1 = 1 & 111
 INFO - 弹出元素：4
 INFO - pop.idx 2 = 10 & 111
 INFO - 弹出元素：3
 INFO - pop.idx 3 = 11 & 111
 INFO - 弹出元素：2

4.3 常见面试问题

堆栈的使用场景？
- 需要使用先入后出的数据结构的场景
为什么不是用 Stack 类？
- Stack十分粗糙，效率低下（见 4.2 引用）
ArrayDeque 是基于什么实现的？
- 数组（见 4.2.1）
ArrayDeque 数据结构使用过程叙述
- 回顾 4.2（见 4.2）
ArrayDeque 为什么要初始化2的n次幂个长度？
- 为了便于进行无符号取模(2^n - 1)得到索引

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