Java中栈的多种实现类详解

前言

在日常开发和算法题中，栈（Stack）是一种非常常用的数据结构，它遵循“后进先出（LIFO）”的原则，常用于括号匹配、表达式求值、递归模拟等场景。那么在Java中，我们该如何选择合适的栈实现类？本文我将详细分析Java中三种常见的栈实现方式：Stack、LinkedList、ArrayDeque，并通过原理对比它们的优缺点，最后探讨在多线程/高并发场景下的栈实现方案。

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一、Stack类——Java最早的栈实现

1.1 Stack类简介

Stack类是Java 1.0就引入的栈实现，位于java.util包下。它继承自Vector，本质上是一个线程安全的动态数组。

1.2 常用方法

Stack<Integer> stack = new Stack<>();
stack.push(1);      // 入栈
stack.push(2);
int top = stack.pop();  // 出栈，返回2
int peek = stack.peek(); // 查看栈顶元素，不移除
boolean empty = stack.empty(); // 判断栈是否为空
int pos = stack.search(1); // 查找元素，返回距离栈顶的偏移量

1.3 优缺点分析

优点：

• 直接实现了栈的常用操作，API简单易用。
• 线程安全，所有方法都加了synchronized。

缺点：

• 继承自Vector，设计上有历史包袱，方法和结构不够现代化。
• 线程安全带来的同步开销，单线程下性能较差。
• Java官方已不推荐新代码使用，属于遗留类（legacy class）。

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二、LinkedList类——灵活的双端链表

2.1 LinkedList类简介

LinkedList实现了Deque接口，可以作为栈、队列、双端队列使用。底层是双向链表结构。

2.2 常用方法

LinkedList<Integer> stack = new LinkedList<>();
stack.push(1);      // 入栈
stack.push(2);
int top = stack.pop();  // 出栈，返回2
int peek = stack.peek(); // 查看栈顶元素，不移除
boolean empty = stack.isEmpty(); // 判断栈是否为空

注意：LinkedList的push/pop/peek方法其实是Deque接口的方法，等价于addFirst/removeFirst/getFirst。

2.3 优缺点分析

优点：

• 实现了Deque接口，方法丰富，既能做栈也能做队列。
• 插入和删除操作效率高（O(1)），适合频繁增删。
• 灵活性高，支持双端操作。

缺点：

• 不是线程安全的。
• 每个节点有额外的指针开销，内存占用比数组大。
• 访问元素时需要遍历链表，随机访问性能差。

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三、ArrayDeque类——高性能的现代选择

3.1 ArrayDeque类简介

ArrayDeque同样实现了Deque接口，底层用循环数组实现。它是Java官方推荐的栈/队列实现。

3.2 常用方法

ArrayDeque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();
stack.push(1);      // 入栈
stack.push(2);
int top = stack.pop();  // 出栈，返回2
int peek = stack.peek(); // 查看栈顶元素，不移除
boolean empty = stack.isEmpty(); // 判断栈是否为空

注意：ArrayDeque不能存储null元素，否则会抛出NullPointerException。

3.3 优缺点分析

优点：

• 实现了Deque接口，方法丰富，既能做栈也能做队列。
• 基于数组，内存利用率高，局部性好，性能优于LinkedList。
• 没有同步开销，单线程下性能最好。
• 支持栈和队列操作，灵活性高。

缺点：

• 不是线程安全的。
• 数组需要扩容时有一定的性能开销。
• 不能存储null元素。

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四、三者方法对比

方法/类	Stack	LinkedList	ArrayDeque
push(E e)	有	有	有
pop()	有	有	有
peek()	有	有	有
empty()/isEmpty()	有	有	有
search(Object o)	有	无	无
线程安全	是	否	否
支持null元素	是	是	否
随机访问	支持	不支持	不支持
性能	较低	一般	最优

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五、代码实现

5.1 Stack实现

Stack<Integer> stack = new Stack<>();
stack.push(10);
stack.push(20);
System.out.println(stack.pop()); // 20
System.out.println(stack.peek()); // 10
System.out.println(stack.empty()); // false

5.2 LinkedList实现

LinkedList<Integer> stack = new LinkedList<>();
stack.push(10);
stack.push(20);
System.out.println(stack.pop()); // 20
System.out.println(stack.peek()); // 10
System.out.println(stack.isEmpty()); // false

5.3 ArrayDeque实现

ArrayDeque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();
stack.push(10);
stack.push(20);
System.out.println(stack.pop()); // 20
System.out.println(stack.peek()); // 10
System.out.println(stack.isEmpty()); // false

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六、线程安全与高并发场景下的栈实现

6.1 Stack的线程安全

Stack类的所有方法都加了synchronized，天然线程安全。但由于同步粒度较粗，性能较低，不适合高并发场景。

6.2 ArrayDeque/LinkedList的线程安全处理

这两者本身不是线程安全的，如果在多线程环境下使用，可以通过Collections.synchronizedDeque进行包装：

Deque<Integer> safeStack = Collections.synchronizedDeque(new ArrayDeque<>());
safeStack.push(1);
safeStack.push(2);
System.out.println(safeStack.pop());

6.3 高并发场景下的栈实现

如果你需要在高并发场景下使用栈，推荐使用并发包下的实现：

• ConcurrentLinkedDeque：高并发下的无界线程安全双端队列，可以作为栈使用。

Deque<Integer> concurrentStack = new ConcurrentLinkedDeque<>();
concurrentStack.push(1);
concurrentStack.push(2);
System.out.println(concurrentStack.pop());

• BlockingDeque：支持阻塞操作的双端队列，适合生产者-消费者场景。

BlockingDeque<Integer> blockingStack = new LinkedBlockingDeque<>();
blockingStack.push(1);
blockingStack.push(2);
System.out.println(blockingStack.pop());

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七、总结与最佳实践

• 单线程场景：优先推荐ArrayDeque，性能最好，API丰富。
• 需要线程安全：用Collections.synchronizedDeque(new ArrayDeque<>())或ConcurrentLinkedDeque。
• 老代码维护：Stack可以用，但不推荐新项目使用。
• 特殊需求：如需要阻塞、限界等功能，选择BlockingDeque相关实现。

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参考资料

• Java官方文档 - Stack
• Java官方文档 - ArrayDeque
• Java官方文档 - LinkedList

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