這陣子在重溫數(shù)據(jù)結構的時候，順便用ILSpy看了一些.NET類庫的實現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)一些基本的數(shù)據(jù)結構的實現(xiàn)方法也是挺有意思的，所以這里拿出來跟大家分享一下。這篇文章討論的是Stack和Queue的泛型實現(xiàn)。

Stack<T>的實現(xiàn)

Stack（棧）是一種后進先出的數(shù)據(jù)結構，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)結構呢？為了降低學習成本，這里將根據(jù).NET源碼的實現(xiàn)，結合其中的核心設計思想，得出一個簡化版本的實現(xiàn)：

using System;

namespace OriginalCode

{

/// <summary>

/// 基于.NET源碼的簡化版實現(xiàn)

/// </summary>

public class Stack<T>

{

private const int _defaultCapacity = 4;

private T[] _array;

private int _size;

public Stack()

{

//默認初始化數(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;

}

/// <summary>

/// 入棧

/// </summary>

/// <param name="item">入棧的元素</param>

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;

}

/// <summary>

/// 出棧

/// </summary>

/// <returns>出棧的元素</returns>

public T Pop()

{

if (_size == 0)

{

throw new Exception("棧為空，當前不能執(zhí)行出棧操作");

}

_size -= 1;

T result = _array[_size];

_array[_size] = default(T);

return result;

}

/// <summary>

/// 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)了更高效的復制)

/// </summary>

/// <param name="oldArray">舊數(shù)組</param>

/// <param name="newArray">新數(shù)組</param>

private void Copy(T[] oldArray, T[] newArray)

{

for (int i = 0; i < oldArray.Length; i++)

{

newArray[i] = oldArray[i];

}

}

}

}

必須明確的一點是Stack<T>的底層是靠T[] _array數(shù)組對象維系著。首先來看構造函數(shù)Stack()，這里做的事情無非就是一些基本的初始化工作，當調(diào)用這個無參構造函數(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主要是用來表示當前棧中存在的元素個數(shù)，同時也承擔起類似數(shù)組下標的作用，標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)組進行擴充。.NET源碼對于數(shù)組擴充的設計還是比較巧妙的，當_array為空的時候，默認開始分配的數(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)，它的底層應該是用C++實現(xiàn)了數(shù)組復制的更好的優(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。總體而言Pop()實現(xiàn)還是比較簡單的。

從前面我們知道，使用Stack<T>數(shù)據(jù)結構，數(shù)組擴容應該是影響性能最大的一個因素。默認情況下，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<T>對象除了提供默認的無參構造函數(shù)外，還提供了一個Stack(int capacity)的構造函數(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<T>(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<T>的實現(xiàn)

Queue（隊列）是一種先進先出的數(shù)據(jù)結構，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<T>的實現(xiàn)比較理解了，其實Queue<T>的實現(xiàn)也有相似的地方，例如底層的數(shù)據(jù)結構同樣是靠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，由于隊列具有先進先出的特性，它決定了不能像Stack<T>那樣只用一個_size來維系棧尾的下標，隊列必須有一個隊頭_head下標和一個隊尾_tail下標來保證先進先出的特性?？紤]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<T>的實現(xiàn)會比Stack<T>更為復雜一些，同樣來看一個簡化版本的實現(xiàn)：

using System;

namespace OriginalCode

{

/// <summary>

/// 基于.NET源碼的簡化版實現(xiàn)

/// </summary>

public class Queue<T>

{

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;

}

/// <summary>

/// 入隊操作

/// </summary>

/// <param name="item">待入隊元素</param>

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 + _defaultCapacity)

{

//.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 應該是為了提高基本性能 比如當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;

}

/// <summary>

/// 出隊操作

/// </summary>

/// <returns>出隊元素</returns>

public T Dequeue()

{

if (_size == 0)

{

throw new Exception("當前隊列為空 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;

}

/// <summary>

/// 將舊數(shù)組的項復制到新數(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)了更高效的復制)

/// </summary>

/// <param name="oldArray">舊數(shù)組</param>

/// <param name="newArray">新數(shù)組</param>

/// <param name="newArrayBeginIndex">新數(shù)組開始項下標</param>

/// <param name="oldArrayBeginIndex">舊數(shù)組開始項下標</param>

/// <param name="copyCount">復制個數(shù)</param>

private void ArrayCopy(T[] oldArray, T[] newArray, int newArrayBeginIndex, int oldArrayBeginIndex, int copyCount)

{

for (int i = oldArrayBeginIndex, j = newArrayBeginIndex; i < oldArrayBeginIndex + copyCount; i++,j++)

{

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)組復制要復雜一些。來繼續(xù)看圖：

與Stack<T>一樣，影響Queue<T>性能最大因素是數(shù)組擴容以及相應的數(shù)組復制操作，同樣Queue也提供了一個帶初始化容量的構造函數(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的構造函數(shù)。

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