java集合之Vevtor和Stack源码分析

Posted 2022-02-11 爱上口袋的天空

一、Vector概述

1）Vector是一个可变化长度的数组
2）Vector增加长度通过的是capacity和capacityIncrement这两个变量，目前还不知道如何实现自动扩增的，等会源码分析
3）Vector也可以获得iterator和listIterator这两个迭代器，并且他们发生的是fail-fast，而不是fail-safe，注意这里，不要觉得这个vector是线程安全就搞错了，具体分析在下面会说
4）Vector是一个线程安全的类，如果使用需要线程安全就使用Vector，如果不需要，就使用arrayList
5）Vector和ArrayList很类似，就少许的不一样，从它继承的类和实现的接口来看，跟arrayList一模一样。

注意：现在的版本已经是jdk1.7，还有更高的jdk1.8了，在开发中，建议不用vector，原因在文章的结束会有解释，如果需要线程安全的集合类直接用java.util.concurrent包下的类

fail-fast：

        事件产生的条件：

                当多个线程对Collection进行操作时，若其中某一个线程通过iterator去遍历集合时，该集合的内容被其他线程所改变；则会抛出ConcurrentModificationException异常。  

         fail-fast解决办法：

                通过util.concurrent集合包下的相应类去处理，则不会产生fast-fail事件。

fail-safe：

        采用安全失败机制的集合容器，在遍历时不是直接在集合内容上访问的，而是先复制原有集合内容，在拷贝的集合上进行遍历。

        原理： 由于迭代时是对原集合的拷贝进行遍历，所以在遍历过程中对原集合所作的修改并不能被迭代器检测到，所以不会触发ConcurrentModificationException

        缺点： 基于拷贝内容的优点是避免了Concurrent Modification Exception，但同样地，迭代器并不能访问到修改后的内容，即：迭代器遍历的是开始遍历那一刻拿到的集合拷贝，在遍历期间原集合发生的修改迭代器是不知道的

        场景： java.util.concurrent包下的容器都是安全失败，可以在多线程下并发使用，并发修改。

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二、Vector源码分析

2.1、继承结构和层次关系

 我们发现Vector的继承关系和层次结构和ArrayList中的一模一样，不懂的可以去前面的博客查看！

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2.2、构造方法

一共有四个构造方法。最后两个构造方法是collection Framwork的规范要写的构造方法。

构造方法作用：

1）初始化存储元素的容器，也就是数组，elementData，

　2）初始化capacityIncrement的大小，默认是0，这个的作用就是扩展数组的时候，增长的大小，为0则每次扩展2倍

1）Vector()：空构造

/**
     * Constructs an empty vector so that its internal data array
     * has size @code 10 and its standard capacity increment is
     * zero.
     */
//看注释，这个是一个空的Vector构造方法，所以让他使用内置的数组，这里还不知道什么是内置的数组，看它调用了自身另外一个带一个参数的构造器
    public Vector() 
        this(10);
    

2）Vector(int)

/**
     * Constructs an empty vector with the specified initial capacity and
     * with its capacity increment equal to zero.
     *
     * @param   initialCapacity   the initial capacity of the vector
     * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
     *         is negative
     */
//注释说，给空的cector构造器用和带有一个特定初始化容量用的，并且又调用了另外一个带两个参数的构造器，并且给容量增长值(capacityIncrement=0)为0，查看vector中的变量可以发现capacityIncrement是一个成员变量
    public Vector(int initialCapacity) 
        this(initialCapacity, 0);
    

3）Vector(int，int)

/**
 * Constructs an empty vector with the specified initial capacity and
 * capacity increment.
 *
 * @param   initialCapacity     the initial capacity of the vector
 * @param   capacityIncrement   the amount by which the capacity is
 *                              increased when the vector overflows
 * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
 *         is negative
 */
//构建一个有特定的初始化容量和容量增长值的空的Vector，
public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) 
	super();//调用父类的构造，是个空构造
	if (initialCapacity < 0)//小于0，会报非法参数异常
		throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
										   initialCapacity);
	this.elementData = new Object[initialCapacity];//elementData是一个成员变量数组，初始化它，并给它初始化长度。默认就是10，除非自己给值。
	this.capacityIncrement = capacityIncrement;//capacityIncrement的意思是如果要扩增数组，每次增长该值，如果该值为0，那数组就变为两倍的原长度，这个之后会分析到

4）Vector(Collection<? extends E> c)

/**
 * Constructs a vector containing the elements of the specified
 * collection, in the order they are returned by the collection's
 * iterator.
 *
 * @param c the collection whose elements are to be placed into this
 *       vector
 * @throws NullPointerException if the specified collection is null
 * @since   1.2
 */
//将集合c变为Vector，返回Vector的迭代器。
public Vector(Collection<? extends E> c) 
	elementData = c.toArray();
	elementCount = elementData.length;
	// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
	if (elementData.getClass() != Object[].class)
		elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount, Object[].class);

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2.3、核心方法

2.3.1、add()方法

/**
	就是在vector中的末尾追加元素。但是看方法，synchronized，明白了为什么vector是线程安全的，因为在方法前面加了synchronized关键字，
	给该方法加锁了，哪个线程先调用它，其它线程就得等着
 * Appends the specified element to the end of this Vector.
 *
 * @param e element to be appended to this Vector
 * @return @code true (as specified by @link Collection#add)
 * @since 1.2
 */
public synchronized boolean add(E e) 
	modCount++;
	ensureCapacityHelper(elementCount + 1);//通过arrayList的源码分析经验，这个方法应该是在增加元素前，检查容量是否够用
	elementData[elementCount++] = e;
	return true;

ensureCapacityHelper(int)

/**
   这里注释解释，这个方法是异步(也就是能被多个线程同时访问)的，原因是为了让同步方法都能调用到这个检测容量的方法，
   比如add的同时，另一个线程调用了add的重载方法，那么两个都需要同时查询容量够不够，所以这个就不需要用synchronized修饰了。
   因为不会发生线程不安全的问题
 * This implements the unsynchronized semantics of ensureCapacity.
 * Synchronized methods in this class can internally call this
 * method for ensuring capacity without incurring the cost of an
 * extra synchronization.
 *
 * @see #ensureCapacity(int)
 */
private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) 
	// overflow-conscious code
	if (minCapacity - elementData.length > 0)
//容量不够，就扩增，核心方法
		grow(minCapacity);

grow(int)

/**
  看一下这个方法，其实跟arrayList一样，唯一的不同就是在扩增数组的方式不一样，如果capacityIncrement不为0，
  那么增长的长度就是capacityIncrement，如果为0，那么扩增为2倍的原容量
*/
private void grow(int minCapacity) 
	// overflow-conscious code
	int oldCapacity = elementData.length;
	int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
									 capacityIncrement : oldCapacity);
	if (newCapacity - minCapacity < 0)
		newCapacity = minCapacity;
	if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
		newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
	elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

感觉只要你能看的懂ArrayList，这个就是在每个方法上比arrayList多了一个synchronized，其他都一样。这里就不再分析了！

 public synchronized E get(int index) 
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

        return elementData(index);
    

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三、Stack 

现在来看看Vector的子类Stack，学过数据结构都知道，这个就是栈的意思。那么该类就是跟栈的用法一样了

通过查看他的方法，和查看api文档，很容易就能知道他的特性。就几个操作，出栈，入栈等，构造方法也是空的，用的还是数组，父类中的构造，跟父类一样的扩增方式，并且它的方法也是同步的，所以也是线程安全。 

 

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四、总结Vector和Stack

4.1、Vector总结（通过源码分析）

        1）Vector线程安全是因为它的方法都加了synchronized关键字
　　 2）Vector的本质是一个数组，特点能是能够自动扩增，扩增的方式
            跟capacityIncrement的值有关
　　3）它也会fail-fast，还有一个fail-safe两个的区别在下面的list总结中会讲到

4.2、Stack的总结

       1)对栈的一些操作，先进后出
　　2)底层也是用数组实现的，因为继承了Vector
　　3）也是线程安全的

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五、List总结

5.1、arrayList和LinkedList区别

　arrayList：

        底层是用数组实现的顺序表，是随机存取类型，可自动扩增，并且在初始化时，数组的长度是0，只有在增加元素时，长度才会增加。默认是10，不能无限扩增，有上限，在查询操作的时候性能更好

    LinkedList：

        底层是用链表来实现的，是一个双向链表，注意这里不是双向循环链表,顺序存取类型。在源码中，似乎没有元素个数的限制。应该能无限增加下去，直到内存满了在进行删除，增加操作时性能更好    

两个都是线程不安全的，在iterator时，会发生fail-fast        

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5.2、arrayList和Vector的区别

arrayList线程不安全，在用iterator，会发生fail-fast

Vector线程安全，因为在方法前加了Synchronized关键字。也会发生fail-fast

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5.3、fail-fast和fail-safe区别和什么情况下会发生

简单的来说：

        在java.util下的集合都是发生fail-fast，而在java.util.concurrent下的发生的都是fail-safe

1）fail-fast

        快速失败，例如在arrayList中使用迭代器遍历时，有另外的线程对arrayList的存储数组进行了改变，比如add、delete、等使之发生了结构上的改变，　所以Iterator就会快速报一个java.util.ConcurrentModificationException 异常（并发修改异常），这就是快速失败

2）fail-safe

        安全失败，在java.util.concurrent下的类，都是线程安全的类，他们在迭代的过程中，如果有线程进行结构的改变，不会报异常，而是正常遍历，这就是安全失败。

3）为什么在java.util.concurrent包下对集合有结构的改变，却不会报异常？

        在concurrent下的集合类增加元素的时候使用Arrays.copyOf()来拷贝副本，在副本上增加元素，如果有其他线程在此改变了集合的结构，那也是在副本上的改变，而不是影响到原集合，迭代器还是照常遍历，遍历完之后，改变原引用指向副本，所以总的一句话就是如果在次包下的类进行增加删除，就会出现一个副本。所以能防止fail-fast，这种机制并不会出错，所以我们叫这种现象为fail-safe。

4）vector也是线程安全的，为什么是fail-fast呢？

        这里搞清楚一个问题，并不是说线程安全的集合就不会报fail-fast，而是报fail-safe，你得搞清楚前面所说答案的原理，出现fail-safe是因为他们在实现增删的底层机制不一样，就像上面说的，会有一个副本，而像arrayList、linekdList、verctor等，他们底层就是对着真正的引用进行操作，所以才会发生异常。

5）既然是线程安全的，为什么在迭代的时候，还会有别的线程来改变其集合的结构呢(也就是对其删除和增加等操作)？

        首先，我们迭代的时候，根本就没用到集合中的删除、增加，查询的操作，就拿vector来说，我们都没有用那些加锁的方法，也就是方法锁放在那没人拿，在迭代的过程中，有人拿了那把锁，我们也没有办法，因为那把锁就放在那边。　

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5.4、举例说明fail-fast和fail-safe的区别

1）fail-fast·

2）fail-safe

        通过CopyOnWriteArrayList这个类来做实验，不用管这个类的作用，但是他确实没有报异常，并且还通过第二次打印，来验证了上面我们说创建了副本的事情。 

        原理是在添加操作时会创建副本，在副本上进行添加操作，等迭代器遍历结束后，会将原引用改为副本引用，所以我们在创建了一个list的迭代器，结果打印的就是123444了，证明了确实改变成为了副本引用，后面为什么是三个4，原因是我们循环了3次，不久添加了3个4吗。如果还感觉不爽的话，看下add的源码。

 

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5.5、为什么现在都不提倡使用vector了

1）vector实现线程安全的方法是在每个操作方法上加锁，这些锁并不是必须要的，在实际开发中，一般都市通过锁一系列的操作来实现线程安全，也就是说将需要同步的资源放一起加锁来保证线程安全，

2）如果多个Thread并发执行一个已经加锁的方法，但是在该方法中，又有vector的存在，vector本身实现中已经加锁了，那么相当于锁上又加锁，会造成额外的开销，

3）就如上面第三个问题所说的，vector还有fail-fast的问题，也就是说它也无法保证遍历安全，在遍历时又得额外加锁，又是额外的开销，还不如直接用arrayList，然后再加锁呢。

总结：Vector在你不需要进行线程安全的时候，也会给你加锁，也就导致了额外开销，所以在jdk1.5之后就被弃用了，现在如果要用到线程安全的集合，都是从java.util.concurrent包下去拿相应的类。