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死磕 java集合之ArrayDeque源码分析

日期:2019-04-29点击:247

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

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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。

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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^^

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。

还记得LinkedTransferQueue吗?点击链接直达【死磕 java集合之LinkedTransferQueue源码分析】。


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原文链接:https://my.oschina.net/u/4108008/blog/3044183
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