java集合ArrayDeque双端队列源码分析(JDK1.7)
一、队列(Queue)&ArrayDeque简单介绍
队列(FIFO)这种数据结构的物理实现方式主要还是两种，一种是链队列（自定义节点类），另一种则是使用数组实现。此处我们将要介绍的循环队列其实是队列的一种具体实现ArrayDeque，它是Queue接口下的子接口Deque的主要实现类,由于一般的数组实现的队列结构在频繁出队的情况下，会产生假溢出现象(队列本身没有满)，导致数组使用效率降低，所以引入循环队列这种结构。
ArrayDeque的特点:
1.数组实现双向队列
2.没有实现同步方法，线程不安全，效率较高
3.比LinkedList效率高
4.实现了栈，队列，作为栈使用时候效率比Stack高，作为队列时候比LinkedList效率高
二、循环队列
首先介绍数组实现的非循环队列结构。队列这种数据结构，无论你是用链表实现，还是用数组实现，它都是要有两个指针分别指向队头和队尾。在我们数组的实现方式中，用两个int型变量用于记录队头和队尾的索引。
一个队列的初始状态，head和tail都指向初始位置（索引为0处）。head永远指向该队列的队头元素，tail则指向该队列最后一个元素的下一位置，当有入队操作时：
当有出队操作时：
当遇到出队操作时，head会移向下一元素位置。当然，对于这种方式入队和出队，队空的判断条件显然是head=tail，队满的判断条件是tail=elements.length（数组最后一个位置的下一位置）。显然，这种结构最致命的缺陷就是，tail只知道向后移动，一旦到达数组边界就认为队满，但是队列可能时刻在出队，也就是前面元素都出队了，tail也不知道。例如：
此时tail判断队满，我们暂时认为资源利用是可以接受的，但是如果接下来不断发生出队操作：
此时tail依然通过判断，认为队满，不能入队，这时数组的利用率我们是不能接受的，这样浪费很大。所以，我们引入循环队列，tail可以通过mode数组的长度实现回归初始位置，下面我们具体来看一下。
按照我们的想法，一旦tail到达数组边界，那么可以通过与数组长度取模返回初始位置，这种情况下判断队满的条件为tail=head
此时tail的值为8，因此tail%elemernt.length(数组长度)=0，发现head=tail，此时认为队列满员。这是合理的，但是我们忽略了一个重要的点，判断队空的条件也是head=tail，那么该怎么区分是队空还是队满呢？解决办法是，tail的在队列中的下一个位置，如果(tail+1)%array.length==head，我们就认为队满（ (tail+1)%array.length=head所以【(tail + 1) % length == head】的含义是tail的下一个节点如果是head则表示队满(%运算表示循环)， 与【 (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head】的结果一致)。
//该代码是往队列中追加元素， doubleCapacity()函数为扩容策略
public void addLast(E e) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
elements[tail] = e;
//判断是否需要扩容是在tail+1的位置， elements[tail] = e是可以添加元素的
if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
doubleCapacity();
}
如下图，看图：tail+1==head则队满。
tail通过取模，回归到初始位置，我们判断tail+1是否等于head，如果等于说明队满，不允许入队操作，上面基本完成了队循环队列的理论介绍，下面我们看在Java中对该数据结构的具体实现是怎样的。
二、双端队列实现类ArrayDeque
1、类的继承关系和实现接口如下：
public class ArrayDeque
implements Deque
//用于存储数据的数组 //transient Object[] elements; jdk1.8为Object数组
private transient E[] elements;
// 队头下标private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;
}
elements就是我们上述介绍用于存储队列中每个节点(元素容器)，不过在ArrayDeque中该数组长度是没有限制的，采用一种动态扩容机制实现动态扩充数组容量。head和tail分别代表着头指针和尾指针。MIN_INITIAL_CAPACITY 代表着创建一个队列的最小容量，具体使用情况在下文详细介绍。现在我们看下它的几个构造函数：
public ArrayDeque() {
elements = new Object[16];
}
public ArrayDeque(int numElements) {
allocateElements(numElements);
}如果没有指定显式传入elements的长度，则默认16。如果显式传入一个代表elements的长度的变量，那么会调用allocateElements做一些简单的处理，并不会简单的将你传入的参数用来构建elements，它会获取最接近numElements的2的指数值，比如：numElements等于30，那么elements的长度会为32，numElements为11，那么对应elements的长度为16。但是如果你传入一个小于8的参数，那么会默认使用我们上述介绍的静态属性值作为elements的长度。至于为什么这么做，因为这么做会大大提高我们在入队时候的效率，我们等会儿会看到。
入队操作
由于ArrayDeque实现了Deque，所以它是一个双向队列，支持从头部或者尾部添加节点，由于内部操作类似，我们只简单介绍从尾部添加入队操作。涉及以下一些函数：
//往队尾添加元素;失败抛出异常public void addLast(E e) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
elements[tail] = e;
if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
doubleCapacity();
}
//往队尾添加元素;失败抛出异常;成功返回true
public boolean offerLast(E e) {
addLast(e);
return true;
}
// 将指定元素插入此双端队列的末尾
public boolean add(E e) {
addLast(e);
return true;
}显然，主要的方法还是addLast，其实有人可能会疑问，为什么要这么多重复的方法呢？其实，虽然我们这个ArrayDeque它实现了双端队列，并且我们本篇主要把他当做队列来研究，其实该类完全可以作为栈或者一些其他结构来使用，所以提供了一些其他的方法，但本质上还是某几个方法。此处我们主要研究下addLast这个方法，该方法首先将你要添加的元素入队，然后通过这条语句判断队是否已满：
if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)这条语句的判断条件还是比较难理解的，我们之前在构造elements元素的时候，说过它的长度一定是2的指数级，所以对于任意一个2的指数级的值减去1之后必然所有位全为1，例如：8-1之后为111，16-1之后1111。而对于tail来说，当tail+1小于等于elements.length - 1，两者与完之后的结果还是tail+1，但是如果tail+1大于elements.length - 1，两者与完之后就为0，回到初始位置。这种判断队列是否满的方式要远远比我们使用符号%直接取模高效，jdk优雅的设计从此可见一瞥。接着，如果队列满，那么会调用方法doubleCapacity扩充容量，
private void doubleCapacity() {
assert head == tail;
int p = head;
int n = elements.length;
int r = n - p;
int newCapacity = n << 1;
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;
}该方法还是比较容易理解的，首先会获取到原数组长度，扩大两倍构建一个空数组，接下来就是将原数组中的内容移动到新数组中，下面通过截图演示两次移动过程：
这是一个满队状态，假如我们现在还需要入队，那么久需要扩容，扩容结果如下：
其实两次移动数组，第一次将head索引之后的所有元素移动到新数组中，第二次将tail到head之间的所有元素移动到新数组中。实际上，就是在移动的时候对原来的顺序进行了调整。对于addFirst只不过是将head向前移动一个位置，然后添加新元素。
出队操作
出队操作和入队一样，具有着多个不同的方法，但是内部调用的还是一个pollFirst方法，我们主要看下该方法的具体实现即可：
public E pollFirst() {
int h = head;
@SuppressWarnings("unchecked")
E result = (E) elements[h];
if (result == null)
return null;
elements[h] = null;
head = (h + 1) & (elements.length - 1);
return result;
}该方法很简单，直接获取数组头部元素即可，然后head往后移动一个位置。这是出队操作，其实删除操作也是一种出队，内部还是调用了pollFirst方法：
public E removeFirst() {
E x = pollFirst();
if (x == null)
throw new NoSuchElementException();
return x;
}其他的一些操作
我们可以通过getFirst()或者peekFirst()获取队头元素（不删除该元素，只是查看）。toArray方法返回内部元素的数组形式。
public Object[] toArray() {
return copyElements(new Object[size()]);
}还有一些利用索引或者值来检索具体节点的方法，由于这些操作并不是ArrayDeque的优势，此处不再赘述了。
至此，有关ArrayDeque的简单原理已经介该绍完了，ArrayDeque的主要优势在于尾部添加元素，头部出队元素的效率是比较高的，内部使用位操作来判断队满条件，效率相对有所提高，并且该结构使用动态扩容，所以对队列长度也是没有限制的。在具体情况下，适时选择。
三、ArrayDeque中的队列操作
1、push（E e）往队头添加元素完成栈的栈顶压入元素
public void push(E e) {
addFirst(e);
}
public void addFirst(E e) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
if (head == tail)
doubleCapacity();
}
上述代码我们知道队列充当栈使用其实就是往队头添加元素
2、弹栈，删除队列的第一个元素
public E pop() {
return removeFirst();
}
public E removeFirst() {
E x = pollFirst();
if (x == null)
throw new NoSuchElementException();
return x;
}
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;
}
图解队列当作栈满足LIFO(后进先出过程)；注意在ArrayDeque中元素不能为null；因为不知道是我们添加进入的还是我们删除数据后设置的null值
到这里我们对ArrayDeque的学习就先到这里结束