前言
Queue 也是 Java 集合框架中定义的一种接口，直接继承自 Collection 接口。除了基本的 Collection 接口规定测操作外，Queue 接口还定义一组针对队列的特殊操作。通常来说，Queue 是按照先进先出(FIFO)的方式来管理其中的元素的，但是优先队列是一个例外。
Deque 接口继承自 Queue接口，但 Deque 支持同时从两端添加或移除元素，因此又被成为双端队列。鉴于此，Deque 接口的实现可以被当作 FIFO队列使用，也可以当作LIFO队列（栈）来使用。官方也是推荐使用 Deque 的实现来替代 Stack。
ArrayDeque 是 Deque 接口的一种具体实现，是依赖于可变数组来实现的。ArrayDeque 没有容量限制，可根据需求自动进行扩容。ArrayDeque不支持值为 null 的元素。
下面基于JDK 8中的实现对 ArrayDeque 加以分析。
方法概览
public interface Queueextends Collection { //向队列中插入一个元素，并返回true //如果队列已满，抛出IllegalStateException异常 boolean add(E e); //向队列中插入一个元素，并返回true //如果队列已满，返回false boolean offer(E e); //取出队列头部的元素，并从队列中移除 //队列为空，抛出NoSuchElementException异常 E remove(); //取出队列头部的元素，并从队列中移除 //队列为空，返回null E poll(); //取出队列头部的元素，但并不移除 //如果队列为空，抛出NoSuchElementException异常 E element(); //取出队列头部的元素，但并不移除 //队列为空，返回null E peek(); }
Deque 提供了双端的插入与移除操作，如下表：
| First Element (Head) | Last Element (Tail) | |||
|---|---|---|---|---|
| Throws exception | Special value | Throws exception | Special value | |
| Insert | addFirst(e) | offerFirst(e) | addLast(e) | offerLast(e) |
| Remove | removeFirst() | pollFirst() | removeLast() | pollLast() |
| Examine | getFirst() | peekFirst() | getLast() | peekLast() |
Deque 和 Queue 方法的的对应关系如下：
| Queue Method | Equivalent Deque Method |
|---|---|
| add(e) | addLast(e) |
| offer(e) | offerLast(e) |
| remove() | removeFirst() |
| poll() | pollFirst() |
| element() | getFirst() |
| peek() | peekFirst() |
Deque 和 Stack 方法的对应关系如下：
| Stack Method | Equivalent Deque Method |
|---|---|
| push(e) | addFirst(e) |
| pop() | removeFirst() |
| peek() | peekFirst() |
ArrayList 实现了 Deque 接口中的所有方法。因为 ArrayList 会根据需求自动扩充容量，因而在插入元素的时候不会抛出IllegalStateException异常。
底层结构
//用数组存储元素 transient Object[] elements; // non-private to simplify nested class access //头部元素的索引 transient int head; //尾部下一个将要被加入的元素的索引 transient int tail; //最小容量，必须为2的幂次方 private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;
在 ArrayDeque 底部是使用数组存储元素，同时还使用了两个索引来表征当前数组的状态，分别是 head 和 tail。head 是头部元素的索引，但注意 tail 不是尾部元素的索引，而是尾部元素的下一位，即下一个将要被加入的元素的索引。
初始化
ArrayDeque 提供了三个构造方法，分别是默认容量，指定容量及依据给定的集合中的元素进行创建。默认容量为16。
public ArrayDeque() {
elements = new Object[16];
}
public ArrayDeque(int numElements) {
allocateElements(numElements);
}
public ArrayDeque(Collection c) {
allocateElements(c.size());
addAll(c);
}
ArrayDeque 对数组的大小(即队列的容量)有特殊的要求，必须是 2^n。通过 allocateElements方法计算初始容量：
private void allocateElements(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
}
elements = new Object[initialCapacity];
}
>>>是无符号右移操作，|是位或操作，经过五次右移和位或操作可以保证得到大小为2^k-1的数。看一下这个例子：
0 0 0 0 1 ? ? ? ? ? //n 0 0 0 0 1 1 ? ? ? ? //n |= n >>> 1; 0 0 0 0 1 1 1 1 ? ? //n |= n >>> 2; 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 //n |= n >>> 4;
在进行5次位移操作和位或操作后就可以得到2^k-1，最后加1即可。这个实现还是很巧妙的。
添加元素
向末尾添加元素：
public void addLast(E e) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
//tail 中保存的是即将加入末尾的元素的索引
elements[tail] = e;
//tail 向后移动一位
//把数组当作环形的，越界后到0索引
if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
//tail 和 head相遇，空间用尽，需要扩容
doubleCapacity();
}
这段代码中，(tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head这句有点难以理解。其实，在 ArrayDeque 中数组是当作环形来使用的，索引0看作是紧挨着索引(length-1)之后的。参考下面的图片：
那么为什么(tail + 1) & (elements.length - 1)就能保证按照环形取得正确的下一个索引值呢？这就和前面说到的 ArrayDeque 对容量的特殊要求有关了。下面对其正确性加以验证：
- length = 2^n，二进制表示为: 第 n 位为1，低位 (n-1位) 全为0
- length - 1 = 2^n-1，二进制表示为：低位(n-1位)全为1
- 如果 tail + 1 <= length - 1，则位与后低 (n-1) 位保持不变，高位全为0
- 如果 tail + 1 = length，则位与后低 n 全为0，高位也全为0，结果为 0
可见，在容量保证为 2^n 的情况下，仅仅通过位与操作就可以完成环形索引的计算，而不需要进行边界的判断，在实现上更为高效。
向头部添加元素的代码如下：
public void addFirst(E e) {
if (e == null) //不支持值为null的元素
throw new NullPointerException();
elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
if (head == tail)
doubleCapacity();
}
其它的诸如add，offer，offerFirst，offerLast等方法都是基于上面这两个方法实现的，不再赘述。
扩容
在每次添加元素后，如果头索引和尾部索引相遇，则说明数组空间已满，需要进行扩容操作。 ArrayDeque 每次扩容都会在原有的容量上翻倍，这也是对容量必须是2的幂次方的保证。
private void doubleCapacity() {
assert head == tail; //扩容时头部索引和尾部索引肯定相等
int p = head;
int n = elements.length;
//头部索引到数组末端(length-1处)共有多少元素
int r = n - p; // number of elements to the right of p
//容量翻倍
int newCapacity = n << 1;
//容量过大，溢出了
if (newCapacity < 0)
throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
//分配新空间
Object[] a = new Object[newCapacity];
//复制头部索引到数组末端的元素到新数组的头部
System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);
//复制其余元素
System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);
elements = a;
//重置头尾索引
head = 0;
tail = n;
}
移除元素
ArrayDeque支持从头尾两端移除元素，remove方法是通过poll来实现的。因为是基于数组的，在了解了环的原理后这段代码就比较容易理解了。
public E pollFirst() {
int h = head;
@SuppressWarnings("unchecked")
E result = (E) elements[h];
// Element is null if deque empty
if (result == null)
return null;
elements[h] = null; // Must null out slot
head = (h + 1) & (elements.length - 1);
return result;
}
public E pollLast() {
int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);
@SuppressWarnings("unchecked")
E result = (E) elements[t];
if (result == null)
return null;
elements[t] = null;
tail = t;
return result;
}
获取队头和队尾的元素
@SuppressWarnings("unchecked")
public E peekFirst() {
// elements[head] is null if deque empty
return (E) elements[head];
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E peekLast() {
return (E) elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)];
}
迭代器
ArrayDeque 在迭代是检查并发修改并没有使用类似于 ArrayList 等容器中使用的 modCount，而是通过尾部索引的来确定的。具体参考 next 方法中的注释。但是这样不一定能保证检测到所有的并发修改情况，加入先移除了尾部元素，又添加了一个尾部元素，这种情况下迭代器是没法检测出来的。
private class DeqIterator implements Iterator{ /** * Index of element to be returned by subsequent call to next. */ private int cursor = head; /** * Tail recorded at construction (also in remove), to stop * iterator and also to check for comodification. */ private int fence = tail; /** * Index of element returned by most recent call to next. * Reset to -1 if element is deleted by a call to remove. */ private int lastRet = -1; public boolean hasNext() { return cursor != fence; } public E next() { if (cursor == fence) throw new NoSuchElementException(); @SuppressWarnings("unchecked") E result = (E) elements[cursor]; // This check doesn't catch all possible comodifications, // but does catch the ones that corrupt traversal // 如果移除了尾部元素，会导致tail != fence // 如果移除了头部元素，会导致 result == null if (tail != fence || result == null) throw new ConcurrentModificationException(); lastRet = cursor; cursor = (cursor + 1) & (elements.length - 1); return result; } public void remove() { if (lastRet < 0) throw new IllegalStateException(); if (delete(lastRet)) { // if left-shifted, undo increment in next() cursor = (cursor - 1) & (elements.length - 1); fence = tail; } lastRet = -1; } public void forEachRemaining(Consumer action) { Objects.requireNonNull(action); Object[] a = elements; int m = a.length - 1, f = fence, i = cursor; cursor = f; while (i != f) { @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E)a[i]; i = (i + 1) & m; if (e == null) throw new ConcurrentModificationException(); action.accept(e); } } }
除了 DeqIterator，还有一个反向的迭代器 DescendingIterator，顺序和 DeqIterator 相反。
小结
ArrayDeque 是 Deque 接口的一种具体实现，是依赖于可变数组来实现的。ArrayDeque 没有容量限制，可根据需求自动进行扩容。ArrayDeque 可以作为栈来使用，效率要高于 Stack；ArrayDeque 也可以作为队列来使用，效率相较于基于双向链表的 LinkedList 也要更好一些。注意，ArrayDeque 不支持为 null 的元素。
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