Java 集合框架 Queue 和 Stack 体系

目录StackQueueDeque其他特性BlockingQueue特点PriorityQueue 优先级队列特点扩容机制ArrayDeque继承关系底层实现扩容机制总结

Stack

栈结构类型，表示对象的后进先出堆栈。Stack继承自Vector，并拓展了五个允许将容器视为栈结构的操作。

包括常见的pop和push操作、以及查看栈顶元素的方法、检查栈是否为空的方法以及从栈顶向下进行搜索某个元素，并获取该元素在栈内深度的方法。

Deque 接口及其实现提供了一组更完整的 LIFO 堆栈操作能力，应该优先考虑使用 Deque 及其实现。例如：

Deque stack = new ArrayDeque();

Queue

Queue接口定义了队列的能力，它继承自Collection ，除了基本的集合操作外，队列提供了额外的插入、获取、检查等操作。

public interface Queue extends Collection {

// 在不违反容量限制的情况下立即将指定元素插入此队列，成功时返回 true，如果当前没有可用空间则抛出 IllegalStateException。

boolean add(E e);

// 在不违反容量限制的情况下立即将指定元素插入此队列。 在使用容量受限的队列中，一般最好使用这种方法添加，仅通过抛出异常可能无法插入元素。

boolean offer(E e);

// 检索并删除此队列的头部。 此方法与 poll 的不同之处仅在于如果此队列为空，它将引发异常。

E remove();

// 检索并移除此队列的头部，如果此队列为空，则返回 null。

E poll();

// 检索但不删除此队列的头部。 此方法与 peek 的不同之处仅在于如果此队列为空，它将引发异http://常。

E element();

// 检索但不删除此队列的头部，如果此队列为空，则返回 null。

E peek();

}

可以看出，每一种操作都存在两种定义，一种是在操作失败的情况下强制抛出异常的，另一种则是返回null不强制抛出异常的。

Throws exceptionReturns special valueInsertadd(e)offer(e)Removeremove()poll()Examineelement()peek()

队列通常是先进先出的，所以对元素的排序方式也是以先进先出的顺序的，但是有特殊情况，例如，优先级队列是根据比较元素的优先级进行排序的；另一种例子是后进先出队列，即栈结构。

无论使用哪种排序，队列的头部元素都是通过调用remove或poll删除的。在 FIFO 队列中，所有的新元素都是插入到队列的尾部的，其他类型的队列可能使用不同的插入规则，每个Queue的实现都必须明确指定其排序方式。

队列的另一个特性是不允许插入null ，尽管在某些实现中，例如LinkedList，允许存储null。但在这种实现中，也不应该将null插入到队列中，因为 null 被 poll 方法作为特殊返回值，以表明队列不包含任何元素。

队列的实现通常不定义hashCode和equals，因为对于具有相同的元素，但具有不同的排序方式的队列，基于元素的相等并不是很好的定义方式。

Deque

Deque继承自 Queue，是一种支持两端元素插入和移除的顺序结构集合，简称 “双端队列” 。大多数双端队列对容量没有固定限制。

Deque接口主要拓展了对于双端队列两端元素操作的方法，也是两种形式，一种抛出异常，一种返回特殊值 null 的形式。

Deque可以当作 FIFO 队列使用，所以它的一些拓展的方法等效于Queue的一些方法：

Deque作为 LIFO 队列使用时（栈结构），它也会有一些等价于Stack的方法：

其他特性

与List接口不同，此接口不支持对元素的索引访问。

另外虽然没有严格要求Deque的实现禁止插入null元素，但在使用中的确应该尽量避免插入null，因为null元素被各种操作方法作为特殊的返回值，这里和 Queue 一样。

另一个与Queue相同的是，它也没有定义需要实现hash和equals方法，理由和Queue是一样的。

BlockingQueue

BlockingQueue是Queue接口的另一个重要子接口，它用来代表一个可阻塞的队列。支持在检索元素是，等待队列变为非空再返回数据。

BlockingQueue有四种类型，用来解决当前不能立刻处理，需要再未来某个时间点下满足指定条件才执行的操作。

抛出异常返回特殊值无限期阻塞当前线程，直到操作成功在有限时间内阻塞当前线程，超时即放弃执行

以下这张表是同一个行为在不同类型的方法表：

特点

不支持空元素：BlockingQueue不接受空元素。在尝试添加、放置或提供null时，实现会抛出NullPointerException。 null用作标记值以指示轮询操作失败。容量受限：可能是容量受限的，在给定时间内，可能只有一个剩余容量，超出该容量就不能在不阻塞的情况下放置其他元素。主要用于实现生产者-消费者队列，但还支持Collection接口。线程安全需要它的实现类自身去实现。批量操作不能保证原子性。内存一致性：和其他并发集合一样，在一个线程中实现将一个对象存入BlockingQueue的操作，会发生在下一个其他线程对BlockingQueue中的该元素读取或移除之前。

PriorityQueue 优先级队列

PriorityQueue是一个基于优先级堆的无界限优先级队列。它是 Queue的直接实现类，优先级队列的元素排序有两种情况：

根据元素的自然存储顺序队列构造时提供的Comparator进行比较后排序

排序方式取决于具体的构造函数的参数Comparator。

public PriorityQueue(Comparator super E> comparator) {

this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, comparator);

}

特点

优先级队列不允许null元素，依赖于自然排序的优先级队列也不允许插入不可比较的对象，否则会导致ClassCastException。

底层实现是通过数组来保存数据的：

transient Object[] queue;

不是线程安全的。

扩容机制

优先级队列的容量是没有限制的，但是内部存储元素的结构实际上是一个数组，它的扩容机制是有规律的。

初始化默认容量 11 ，后续扩容总是扩容到与队列元素数量相同大小，这一点和ArrayList基本一致。

public boolean offer(E e) {

if (e == null)

throw new NullPointerException(); // 不允许 null 元素

modCount++;

int i = size;

if (i >= queue.length)

grow(i + 1); // 真正的扩容方法

size = i + 1;

if (i == 0)

queue[0] = e;

else

siftUp(i, e);

return true;

}

private void grow(int minCapacity) {

int oldCapacity = queue.length;

// Double size if small; else grow by 50% 默认扩容量

int newCapacity = oldCapacity + ((oldCapacity < 64) ?

(oldCapacity + 2) :

(oldCapacity >> 1));

// overflow-conscious code

if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)

newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);

queue = Arrays.copyOf(queue, newCapacity);

}

如果旧的队列容量 < 64 ，每次扩容 100% 并加 2 。超过 64，每次扩容旧容量的 50 %。如果新容量超出最大数组容量。则通过hugeCapacity()计算容量：

private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {

if (minCapacity < 0) // overflow

throw new OutOfMemoryError();

return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?

Integer.MAX_VALUE :

MAX_ARRAY_SIZE;

}

如果需要的容量超过数组最大容量，则限制队列容量为 Int 的最大值。如果需要的容量没超过数组最大容量，则限制队列容量为数组最大容量MAX_ARRAY_SIZE。

ArrayDeque

数组双端队列，是一种可调整大小的数组实现，没有容量限制。它会根据需要自动扩容。

继承关系

public class ArrayDeque extends AbstractCollection implements Deque, Cloneable, Serializable

AbstractCollection：提供了一些集合接口能力的基本封装。双端队列可通过Object.clone()方法快速复制支持序列化

底层实现

底层数据结构是一个数组：

transient Object[] elements;

transient int head;

transient int tail;

通过head和tail作为索引来支持双端队列的特性。

扩容机制

public void addFirst(E e) {

if (e == null)

throw new NullPointerException(); // 不允许 null

elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e; // 防止下标越界处理

if (head == tail) // 检查空间是否够用， == 说明空间不够了

doubleCapacity(); // 扩容

}

这里先插入，后扩容。tail总是指向下一个可插入的空位，这个意思就是 数组中至少留有一个空位置，所以元素可以先插入。

head = (head - 1) & (elements.length - 1)这行代码比较难以理解。语义是：取余操作，同时解决head为负值的情况。 elements.length 必定是 2 的指数倍。elements.length - 1的二进制低位必为 1 ， 与head - 1进行与操作后，起到了取模的作用（取余数）。如果head - 1为负数（只可能是 -1），则相当于对其取相对于elements.length的补码。

真正的扩容机制在doubleCapacity()：

private void doubleCapacity() {

assert head == tail;

int p = head;

int n = elements.length;

int r = n - p; // number of elements to the right of p

int newCapacity = n << 1;

if (newCapacity < 0)

throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");

Object[] a http://= new Object[newCapacity];

System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);

System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);

elements = a;

head = 0;

tail = n;

}

这个函数的作用相当于扩容 100% 后，将原数组，分段复制进去：

首先复制head右侧的元素，然后再把左边的复制过来。即虽然是往队列头部插值，但实际还是在尾部插完值后，分段移动进行排序，最后组成了新数组。

addLast则是直接把新元素存入tail位置上，然后在重新计算tail ，检查是否需要扩容。

public void addLast(E e) {

if (e == null)

throw new NullPointerException();

elements[tail] = e; //赋值

if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head) //下标越界处理

doubleCapacity(); //扩容

}

特点：

不是线程安全的，在没有外部处理同步的情况下，不支持多线程并发访问。禁止保存null元素。作为栈使用时，可能比Stack快；作为队列使用时， 比LinkedList快。时间复杂度时常数级别的。

总结

常见的队列除了 ArrayQueue、PriorityQuueue 和BlockingQueue，还有一个可以当作队列的LinkedList，关于它在上一节的 List 体系中有详细的讲解。

ArrayQueue，更适用于当作双端队列或栈结构。Stack已不推荐使用，建议使用LinkedList或ArrayQueue替代。PriorityQueue用来处理优先级，多了一个可自定义优先级条件的能力。BlockingQueue常用于实现 生产者/消费者队列，但线程安全需要外部自己去实现。

上面的几种队列，除了LinkedList，底层的数据结构都是数组。Queue的有些实现没有强制要求不允许存null ，但最好不要存null 。

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