Stack的實現(xiàn)

Stack（棧）是一種后進(jìn)先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，其中最核心的兩個方法分別為Push（入棧）和Pop（出棧）兩個操作，那么.NET類庫是如何實現(xiàn)這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)呢,？為了降低學(xué)習(xí)成本,，這里將根據(jù).NET源碼的實現(xiàn)，結(jié)合其中的核心設(shè)計思想,，得出一個簡化版本的實現(xiàn)：

using System;

namespace OriginalCode
{
///

/// 基于.NET源碼的簡化版實現(xiàn)
///

public class Stack
{
private const int _defaultCapacity = 4;
private T[] _array;
private int _size;

public Stack()
{
//默認(rèn)初始化數(shù)組的數(shù)量為空
_array = new T[0];
//初始化數(shù)組的數(shù)量為0
_size = 0;
}

///

/// 入棧
///

/// 入棧的元素
public void Push(T item)
{
if (_size == _array.Length)
{
//數(shù)組存儲已經(jīng)滿了,，需重新分配數(shù)組大小
//分配的數(shù)組大小為原來的兩倍
T[] array = new T[_array.Length == 0 ? _defaultCapacity : 2 * _array.Length];

//將原來的數(shù)組Copy到新數(shù)組中
Copy(_array, array);

//_array指向新數(shù)組
_array = array;
}
_array[_size] = item;
_size += 1;
}

///

/// 出棧
///

/// 出棧的元素
public T Pop()
{
if (_size == 0)
{
throw new Exception('棧為空，當(dāng)前不能執(zhí)行出棧操作');
}
_size -= 1;
T result = _array[_size];
_array[_size] = default(T);
return result;
}

///

/// 將舊數(shù)組賦值到新數(shù)組(這個方法是一個模擬實現(xiàn),，實際情況.NET源碼底層用C++實現(xiàn)了更高效的復(fù)制)
///

/// 舊數(shù)組
/// 新數(shù)組
private void Copy(T[] oldArray, T[] newArray)
{
for (int i = 0; i < oldarray.length;="">
{
newArray[i] = oldArray[i];
}
}
}
}

必須明確的一點是Stack的底層是靠T[] _array數(shù)組對象維系著,。首先來看構(gòu)造函數(shù)Stack()，這里做的事情無非就是一些基本的初始化工作,，當(dāng)調(diào)用這個無參構(gòu)造函數(shù)的時候,，會將_array數(shù)組實例化為T[0]，同時將一個_size初始化為0,。這個_size主要是用來表示當(dāng)前棧中存在的元素個數(shù),，同時也承擔(dān)起類似數(shù)組下標(biāo)的作用，標(biāo)識下一個元素入棧的數(shù)組位置,。

接下來來看一下Push(T item)函數(shù)的實現(xiàn),。這里的第一步操作其實就是執(zhí)行一次判斷，判斷當(dāng)前_array數(shù)組的元素個數(shù)是否已經(jīng)滿了,，假如滿了的話,，就要對數(shù)組進(jìn)行擴充。.NET源碼對于數(shù)組擴充的設(shè)計還是比較巧妙的,，當(dāng)_array為空的時候,，默認(rèn)開始分配的數(shù)組個數(shù)為4，既new T[4],，假如要插入的是第5個元素的時候,，這時數(shù)組的個數(shù)不足，就聲明一個新的T[] array,，并將個數(shù)擴充為_array個數(shù)的2倍,，之后再將_array元素一個個復(fù)制到新的array中，最后將_array字段指向array,，就完成了數(shù)組擴充的工作,。這一步在前面的代碼中的實現(xiàn)應(yīng)該是很清晰的，不過需要注意的一點是這里的Copy(_array,array)函數(shù)是我自己的一個簡單的實現(xiàn),，跟.NET源碼中的實現(xiàn)是很不一樣的,，.NET源碼是調(diào)用一個Array.Copy(this._array, 0, array, 0, this._size)的函數(shù),，它的底層應(yīng)該是用C++實現(xiàn)了數(shù)組復(fù)制的更好的優(yōu)化。通過一張圖來看一下數(shù)組擴容的過程：

最后來看一下Pop()函數(shù)的實現(xiàn),。首先先判斷當(dāng)前數(shù)組的個數(shù)是否大于0,，小于等于0的話就會拋出異常。之后就將_size-=1,，得到要Pop的對象在數(shù)組的位置,。取出_array[_size]后，就調(diào)用default(T)填充_array[_size]的位置,，這樣做的一個好處是取消對原來的對象的引用,，是其能夠成為垃圾回收的對象，更好地減少內(nèi)存的占用,?？傮w而言Pop()實現(xiàn)還是比較簡單的。

從前面我們知道,，使用Stack數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，數(shù)組擴容應(yīng)該是影響性能最大的一個因素。默認(rèn)情況下,，假如要往棧中插入100個對象,，意味著數(shù)組就要經(jīng)過4->8->16->32->64->128總共5次的數(shù)組擴容，那么有沒有什么辦法可以改善性能呢,？答案是有的,，.NET源碼Stack對象除了提供默認(rèn)的無參構(gòu)造函數(shù)外，還提供了一個Stack(int capacity)的構(gòu)造函數(shù),，capacity參數(shù)其實就是用表示來初始化數(shù)組的個數(shù),，假如我們能預(yù)料到這次插入棧的對象個數(shù)的最大值的話（以100為例）,，就直接這樣調(diào)用new Stack(100),，這樣就能減少不必要的數(shù)組擴容，從而提高了Stack的使用性能,。

Queue的實現(xiàn)

Queue（隊列）是一種先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，其中最核心的兩個方法是Enqueue（入隊）和Dequeue（出隊）兩個操作。通過前面的熱身,，我們已經(jīng)對Stack的實現(xiàn)比較理解了,，其實Queue的實現(xiàn)也有相似的地方，例如底層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同樣是靠T[] _array數(shù)組對象維系著,，也是使用了2倍數(shù)組擴容的方式,。不過，由于隊列具有先進(jìn)先出的特性,，它決定了不能像Stack那樣只用一個_size來維系棧尾的下標(biāo),，隊列必須有一個隊頭_head下標(biāo)和一個隊尾_tail下標(biāo)來保證先進(jìn)先出的特性,。考慮到隊列的存儲效率,，還必須涉及到循環(huán)隊列的問題,，所以Queue的實現(xiàn)會比Stack更為復(fù)雜一些，同樣來看一個簡化版本的實現(xiàn)：

using System;

namespace OriginalCode
{
///

/// 基于.NET源碼的簡化版實現(xiàn)
///

public class Queue
{
private static T[] EMPTY_ARRAY = new T[0];
private const int _defaultCapacity = 4;
private T[] _array;
private int _head; //頭位置
private int _tail; //尾位置
private int _size; //隊列元素個數(shù)

public Queue()
{
_array = EMPTY_ARRAY;
_head = 0;
_tail = 0;
_size = 0;
}

public Queue(int capacity)
{
_array = new T[capacity];
_head = 0;
_tail = 0;
_size = 0;
}

///

/// 入隊操作
///

/// 待入隊元素
public void Enqueue(T item)
{
if (_size == _array.Length)
{
//確定擴充的容量大小
int capacity = _array.Length * 2;
if (capacity < _array.length="" +="">
{
//.NET源碼這樣實現(xiàn)的一些基本猜想
//由于可以通過調(diào)用Queue(int capacity)實例化隊列 capacity可以=1 | 2 | 3
//這里做與+4做判斷 應(yīng)該是為了提高基本性能 比如當(dāng)capacity = 1的時候 *2 = 2 這樣2很快容易有下一次擴充
//不過其實感覺效果并不大 有點設(shè)計過度的嫌疑
capacity = _array.Length + _defaultCapacity;
}

//實例化一個容量更大的數(shù)組
T[] array = new T[capacity];
if (_size > 0)
{
//當(dāng)需要重新分配數(shù)組內(nèi)存的時候 根據(jù)循環(huán)隊列的特性 這時的_head一定等于_tail
//從舊數(shù)組_array[_head]到_array[_size-1] 復(fù)制到 新數(shù)組array[0]...[_size - _head - 1]
ArrayCopy(_array, array, 0, _head, _size - _head);
//從舊數(shù)組_array[0]到_array[_head-1] 復(fù)制到 新數(shù)組array[_size - _head]...[_size - 1]
ArrayCopy(_array, array, _size - _head, 0, _head);
}

_array = array; //將舊數(shù)組指向新數(shù)組
_head = 0; //重新將頭位置定格為0
_tail = _size; //重新將尾位置定格為_size
}
_array[_tail] = item;
_tail = (_tail + 1) % _array.Length;
_size += 1;
}

///

/// 出隊操作
///

/// 出隊元素
public T Dequeue()
{
if (_size == 0)
{
throw new Exception('當(dāng)前隊列為空 不能執(zhí)行出隊操作');
}
T result = _array[_head];
_array[_head] = default(T);
_head = (_head + 1) % _array.Length;
_size -= 1;
return result;
}

///

/// 將舊數(shù)組的項復(fù)制到新數(shù)組(這個方法是一個模擬實現(xiàn),，實際情況.NET源碼底層用C++實現(xiàn)了更高效的復(fù)制)
///

/// 舊數(shù)組
/// 新數(shù)組
/// 新數(shù)組開始項下標(biāo)
/// 舊數(shù)組開始項下標(biāo)
/// 復(fù)制個數(shù)
private void ArrayCopy(T[] oldArray, T[] newArray, int newArrayBeginIndex, int oldArrayBeginIndex, int copyCount)
{
for (int i = oldArrayBeginIndex, j = newArrayBeginIndex; i < oldarraybeginindex="" +="" copycount;="">
{
newArray[j] = oldArray[i];
}
}
}
}

首先通過下面的圖來看一下數(shù)組容量足夠的時候,，循環(huán)隊列的執(zhí)行過程：

基于上面這張圖的執(zhí)行過程，來看一下Dequeue函數(shù)的實現(xiàn),。第一步判斷的是_size是否為0,，是的話就拋出異常。如果當(dāng)前入隊個數(shù)大于0,，則獲取_array[_head]元素作為出隊元素,，之后就調(diào)用default(T)填充_array[_head]的位置。由于是一個循環(huán)隊列的設(shè)計,，所以不能簡單地將_head+=1,，而必須這樣_head=(_head+1)%_array.Length，如上圖所示,，_head有可能指向下標(biāo)為3的位置,，假如這時直接_head += 1變?yōu)?的話，就跳出了數(shù)組的小標(biāo)范圍,，而_head=(_head+1)%_array.Length變?yōu)?,，則指向了數(shù)組最前的位置，實現(xiàn)了循環(huán)隊列的功能,，更好地利用了內(nèi)存,。

接下來看一下Enqueue(T item)函數(shù)的實現(xiàn)。承接上圖的Queue的狀態(tài),，假如現(xiàn)在要執(zhí)行q.Enqueue('f')的入隊操作,，但是很明顯數(shù)組_array已經(jīng)滿了，那么要怎么辦呢,？其實原理和Stack的實現(xiàn)類似,，也是要通過數(shù)組擴容的方式，不過比Stack的數(shù)組復(fù)制要復(fù)雜一些,。來繼續(xù)看圖：

與Stack一樣,，影響Queue性能最大因素是數(shù)組擴容以及相應(yīng)的數(shù)組復(fù)制操作，同樣Queue也提供了一個帶初始化容量的構(gòu)造函數(shù)Queue(int capacity),，如果我們能估算到隊列可能同時存在元素的最大值,，就盡量調(diào)用這個帶capacity的構(gòu)造函數(shù)。