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<E> extends Queue<E> {
// 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<E> iterator();
// 反向迭代器
Iterator<E> 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null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];
// 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;
// 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。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持脚本之家。

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