java集合 ArrayDeque源码详细分析

java集合 ArrayDeque源码详细分析

问题

（1）什么是双端队列？

（2）ArrayDeque是怎么实现双端队列的？

（3）ArrayDeque是线程安全的吗？

（4）ArrayDeque是有界的吗？

简介

双端队列是一种特殊的队列，它的两端都可以进出元素，故而得名双端队列。

ArrayDeque是一种以数组方式实现的双端队列，它是非线程安全的。

继承体系

通过继承体系可以看，ArrayDeque实现了Deque接口，Deque接口继承自Queue接口，它是对Queue的一种增强。

public interface Deque extends Queue {

// 添加元素到队列头

void addFirst(E e);

// 添加元素到队列尾

void addLast(E e);

// 添加元素到队列头

boolean offerFirst(E e);

// 添加元素到队列尾

boolean offerLast(E e);

// 从队列头移除元素

E removeFirst();

// 从队列尾移除元素

E removeLast();

// 从队列头移除元素

E pollFirst();

// 从队列尾移除元素

E pollLast();

// 查看队列头元素

E getFirst();

// 查看队列尾元素

E getLast();

// 查看队列头元素

E peekFirst();

// 查看队列尾元素

E peekLast();

// 从队列头向后遍历移除指定元素

boolean removeFirstOccurrence(Object o);

// 从队列尾向前遍历移除指定元素

boolean removeLastOccurrence(Object o);

// *** 队列中的方法 ***

// 添加元素，等于addLast(e)

boolean add(E e);

// 添加元素，等于offerLast(e)

boolean offer(E e);

// 移除元素，等于removeFirst()

E remove();

// 移除元素，等于pollFirst()

E poll();

// 查看元素，等于getFirst()

E element();

// 查看元素，等于peekFirst()

E peek();

// *** 栈方法 ***

// 入栈，等于addFirst(e)

void push(E e);

// 出栈，等于removeFirst()

E pop();

// *** Collection中的方法 ***

// 删除指定元素，等于removeFirstOccurrence(o)

boolean remove(Object o);

// 检查是否包含某个元素

boolean contains(Object o);

// 元素个数

public int size();

// 迭代器

Iterator iterator();

// 反向迭代器

Iterator descendingIterator();

}

Deque中新增了以下几类方法：

（1）*First，表示从队列头操作元素；

（2）*Last，表示从队列尾操作元素；

（3）push(e)，pop()，以栈的方式操作元素的方法；

源码分析

主要属性

// 存储元素的数组

transient Object[] elements; // non-private to simplify nested class access

// 队列头位置

transient int head;

// 队列尾位置

transient int tail;

// 最小初始容量

private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;

从属性我们可以看到，ArrayDeque使用数组存储元素，并使用头尾指针标识队列的头和尾，其最小容量是8。

主要构造方法

// 默认构造方法，初始容量为16

public ArrayDeque() {

elements = new Object[16];

}

// 指定元素个数初始化

public ArrayDeque(int numElements) {

allocateElements(numElements);

}

// 将集合c中的元素初始化到数组中

public ArrayDeque(Collection extends E> c) {

allocateElements(c.size());

addAll(c);

}

// 初始化数组

private void allocateElements(int numElements) {

elements = new Object[calculateSize(numElements)];

}

// 计算容量，这段代码的逻辑是算出大于numElements的最接近的2的n次方且不小于8

// 比如，3算出来是8，9算出来是16，33算出来是64

private static int calculateSize(int numElements) {

int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;

// Find the best power of two to hold elements.

// Tests "<=" because arrays aren't kept full.

if (numElements >= initialCapacity) {

initialCapacity = numElements;

initialCapacity |= (initialCapacity >>> 1);

initialCapacity |= (initialCapacity >>> 2);

initialCapacity |= (initialCapacity >>> 4);

initialCapacity |= (initialCapacity >>> 8);

initialCapacity |= (initialCapacity >>> 16);

initialCapacity++;

if (initialCapacity < 0) // Too many elements, must back off

initialCapacity >>>= 1;// Good luck allocating 2 ^ 30 elements

}

return initialCapacity;

}

通过构造方法，我们知道默认初始容量是16，最小容量是8。

入队

入队有很多方法，我们这里主要分析两个，addFirst(e)和addLast(e)。

// 从队列头入队

public void addFirst(E e) {

// 不允许null元素

if (e == null)

throw new NullPointerException();

// 将head指针减1并与数组长度减1取模

// 这是为了防止数组到头了边界溢出

// 如果到头了就从尾再向前

// 相当于循环利用数组

elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;

// 如果头尾挨在一起了，就扩容

// 扩容规则也很简单，直接两倍

if (head == tail)

doubleCapacity();

}

// 从队列尾入队

public void addLast(E e) {

// 不允许nutoJGDll元素

if (e == null)

throw new NullPointerException();

// 在尾指针的位置放入元素

// 可以看到tail指针指向的是队列最后一个元素的下一个位置

elements[tail] = e;

// tail指针加1，如果到数组尾了就从头开始

if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)

doubleCapacity();

}

（1）入队有两种方式，从队列头或者从队列尾；

（2）如果容量不够了，直接扩大为两倍；

（3）通过取模的方式让头尾指针在数组范围内循环；

（4）x & (len - 1) = x % len，使用&的方式更快；

扩容

private void doubleCapacity() {

assert head == tail;

// 头指针的位置

int p = head;

// 旧数组长度

int n = elements.length;

// 头指针离数组尾的距离

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

// 新长度为旧长度的两倍

int newCapacity = n << 1;

// 判断是否溢出

if (newCapacity < 0)

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

// 新建新数组

Object[] a = new Object[newCapacity];

//http:// 将旧数组head之后的元素拷贝到新数组中

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

// 将旧数组下标0到head之间的元素拷贝到新数组中

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

// 赋值为新数组

elements = a;

// head指向0，tail指向旧数组长度表示的位置

head = 0;

tail = n;

}

扩容这里迁移元素可能有点绕，请看下面这张图来理解。

出队

出队同样有很多方法，我们主要看两个，pollFirst()和pollLast()。

// 从队列头出队

public E pollFirst() {

int h = head;

@SuppressWarnings("unchecked")

// 取队列头元素

E result = (E) elements[h];

// 如果队列为空，就返回null

if (result == null)

return null;

http://// 将队列头置为空

elements[h] = null; // Must null out slot

// 队列头指针右移一位

head = (h + 1) & (elements.length - 1);

// 返回取得的元素

return result;

}

// 从队列尾出队

public E pollLast() {

// 尾指针左移一位

int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);

@SuppressWarnings("unchecked")

// 取当前尾指针处元素

E result = (E) elements[t];

// 如果队列为空返回null

if (result == null)

return null;

// 将当前尾指针处置为空

elements[t] = null;

// tail指向新的尾指针处

tail = t;

// 返回取得的元素

return result;

}

（1）出队有两种方式，从队列头或者从队列尾；

（2）通过取模的方式让头尾指针在数组范围内循环；

（3）出队之后没有缩容哈哈^^

栈

前面我们介绍Deque的时候说过，Deque可以直接作为栈来使用，那么ArrayDeque是怎么实现的呢？

public void push(E e) {

addFirst(e);

}

public E pop() {

return removeFirst();

}

是不是很简单，入栈出栈只要都操作队列头就可以了。

总结

（1）ArrayDeque是采用数组方式实现的双端队列；

（2）ArrayDeque的出队入队是通过头尾指针循环利用数组实现的；

（3）ArrayDeque容量不足时是会扩容的，每次扩容容量增加一倍；

（4）ArrayDeque可以直接作为栈使用；

彩蛋

双端队列与双重队列？

双端队列（Deque）是指队列的两端都可以进出元素的队列，里面存储的是实实在在的元素。

双重队列（Dual Queue）是指一种队列有两种用途，里面的节点分为数据节点和非数据节点，它是LinkedTransferQueue使用的数据结构。

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