栈、队列、双端队列都是非常经典的数据结构。和链表、数组不同，这三种数据结构的抽象层次更高。它只描述了数据结构有哪些行为，而并不关心数据结构内部用何种思路、方式去组织。
本篇博文重点关注这三种数据结构在java中的对应设计，并且对ArrayDeque的源码进行分析。
概念
先来简单回顾下大学时的数据结构知识。
- 什么是栈？数据排成一个有序的序列，只能从一个口弹出数据或加入数据。即后进先出（LIFO）。
- 什么是队列？数据同样排成一个有序的序列，数据只能在队尾加入，在队头弹出。即先进先出（FIFO）。
- 什么是双端队列？数据同样排成一个有序的序列，只能从前后两个口插入或删除数据。结合了栈和队列的特点。
这三样东西都可以通过数组或链表来实现。从这种表述就能发现，似乎链表和数组比这三个更“偏底层”。
仔细思考不难发现，栈、队列、双端队列仅仅是描述了接口行为，是一种抽象数据类型；而数组、链表则描述的是数据的具体在内存中的组织方式。
java中栈、队列、双端队列
java中的栈
public
class Stack extends Vector {
/* */
} java的确有一个叫做Stack的类，它继承自Vector。
个人以为，jdk的这种设计不是很妥当。前面分析过，Stack从概念上是一种抽象数据类型，可以有多种实现方式。因此，将其设计为接口更为合适。
jdk的这种设计导致：
- Stack只有数组这一种实现方式，没有办法改用其它的实现方式。
- Stack继承自Vector，耦合太紧，同时拥有Vector的大量不属于Stack模型的方法，破坏隐藏。
此外，Vector本身现在已经不建议使用了。
而且，jdk自己也说了，Stack这个类，设计的不好，不推荐使用：
* A more complete and consistent set of LIFO stack operations is
* provided by the {@link Deque} interface and its implementations, which
* should be used in preference to this class. For example:
* Deque stack = new ArrayDeque();}
好在Deque像是栈和队列的组合，也能当栈使用。因此，在java中，有栈的使用需求时，使用Deque代替。
而且，偶然间在jdk中看到这样一个工具函数Collections.asLifoQueue：
public static Queue asLifoQueue(Deque deque) {
return new AsLIFOQueue<>(deque);
} 它将Deque包装成一个Lifo的队列。LIFO？那不就是栈么！也就是说，得到的虽然是Queue接口，但是行为是LIFO。
java中的队列
public interface Queue extends Collection {
/* ... */
} jdk中队列的设计没有什么问题，是一个接口。
虽然名字叫Queue，但是这个jdk中Queue接口指代的范围更广。从它的子接口及实现类来看，有这样几种含义：
- FIFO队列。也就是数据结构中的先进先出队列。
- 优先队列。也就是数据结构中的大顶堆或小顶堆。
- 阻塞队列。也是队列，只不过某些方法在没有元素时或队满时会阻塞，并发中使用的一种结构。
再来看它的几种实现：
- FIFO队列。FIFO队列的实现其实是按照Deque实现的了，有LinkedList和ArrayDeque。
- 优先队列。PriorityQueue。
- 阻塞队列。这个和并发关系更大，这里先不谈。
java中的双端队列
双端队列的定义也是接口：
public interface Deque extends Queue {
/* ... */
} Deque也是Queue，Deque也能当Queue用，没有太多额外开销。所以jdk没有单独实现Queue。
Deque有两种实现类：
- LinkedList。也就是链表，java的链表同时实现了Deque。
- ArrayDeque。Deque的数组实现。为什么不在ArrayList中一把实现Deque接口？
也很简单，实现方式不同。
Deque也有阻塞队列版本的实现，这里也先不谈。
ArrayDeque源码分析
实现思路
我先来总结下ArrayDeque的实现思路。
首先，ArrayDeque内部是拥有一个内部数组用于存储数据。
其次，假设采用简单的方案，即队列数组按顺序在数组里排开，那么：
- 由于ArrayDeque的两端都能增删数据，那么把数据插入到队列头部也就是数组头部，会造成O(N)的时间复杂度。
- 假设只再队尾加入而只从队头删除，队头就会空出越来越多的空间。
那么该怎么实现？也很简单。将物理上的连续数组回绕，形成逻辑上的一个 环形结构。即a[size - 1]的下一个位置是a[0].
之后，使用头尾指针标识队列头尾，在队列头尾增删元素，反映在头尾指针上就是这两个指针绕着环赛跑。
这个是大体思路，具体的还有一些细节，后面代码里分析：
- head和tail的具体概念是如何界定？
- 如果判断队满和队空？
- 数组满了怎么办？
属性
先来看内部属性。elements域就是存储数据的原生数组。
head和tail分别分别为头尾指针。
transient Object[] elements; // non-private to simplify nested class access
transient int head;
transient int tail;构造函数
public ArrayDeque() {
elements = new Object[16];
}
public ArrayDeque(int numElements) {
allocateElements(numElements);
}
private void allocateElements(int numElements) {
elements = new Object[calculateSize(numElements)];
}- 如果没有指定内部数组的初始大小，默认为16.
- 如果指定了内部数组的初始大小，则通过
calculateSize函数二次计算出大小。
来看calculateSize函数：
private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;
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;
}- 如果小于8，那么大小就为8.
- 如果大于等于8，则按照2的幂对齐。
入队
看两个入队方法：
public void addFirst(E e) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
if (head == tail)
doubleCapacity();
}
public void addLast(E e) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
elements[tail] = e;
if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
doubleCapacity();
}addFirst是从队头插入，addLast是从队尾插入。
从该代码能够分析出head和tail指针的含义：
- head指针指向的是队头元素的位置，除非队列为空。
- tail指针指向的是队尾元素后一格的位置，即尾后指针。
因此：
- 如果队列没有满，tail指向的是空位置，head指向的是队头元素，永远不可能一样。
- 但是当队列满时，tail回绕会追上head，当tail等于head时，表示队列满了。
理清楚了这一点，上面的代码也就十分容易理解了：
- 对应位置插入位置，移动指针。
- 当tail和head相等时，扩容。
最后，这句：
(head - 1) & (elements.length - 1)曾经在《源码|jdk源码之HashMap分析(二)》中分析过，假如被余数是2的幂次方，那么模运算就能够优化成按位与运算。
也即相当于：
(head - 1) % elements.length出队
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;
}出队的代码很显然，不多解释。
扩容
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;
// 扩容后的大小小于0（溢出），也即队列最大应该是2的30次方
if (newCapacity < 0)
throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
Object[] a = new Object[newCapacity];
System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);
System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);
elements = a;
head = 0;
tail = n;
}扩容的实现为按 两倍 扩容原数组，将原数倍拷贝过去。
其中值得注意的是对数组大小溢出的处理。
迭代器
之前《源码|jdk源码之LinkedList与modCount字段》中分析过，
容器的实现中，所有修改过容器结构的操作都需要修改modCount字段。
这样迭代器迭代过程中，通过前后比对该字段来判断容器是否被动过，及时抛出异常终止迭代以免造成不可预测的问题。
不过，在ArrayDeque的插入方法中并没有修改modeCount字段。从ArrayDeque的迭代器的实现中可以看出来：
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;
} 原来，ArrayDeque直接使用了head和tail头尾指针，就能判断出迭代过程中是否发生了变化。