Java基础——Queue、Deque、ArrayDeque源码分析

Queue是什么

• Queue是具有队列特性的接口
• Queue具有先进先出的特点
• Queue所有新元素都插入队列的末尾，移除元素都移除队列的头部

public interface Queue extends Collection {
    //往队列插入元素，如果出现异常会抛出异常
    boolean add(E e);
    //往队列插入元素，如果出现异常则返回false
    boolean offer(E e);
    //移除队列元素，如果出现异常会抛出异常
    E remove();
    //移除队列元素，如果出现异常则返回null
    E poll();
    //获取队列头部元素，如果出现异常会抛出异常
    E element();
    //获取队列头部元素，如果出现异常则返回null
    E peek();
}

可以将上面的方法画成以下表格

操作	抛出异常	返回特殊值
插入	add()	offer()
删除	remove()	poll()
查询	element()	peek()

Deque是什么

• Deque是一个双端队列
• Deque继承自Queue
• Deque具有先进先出或后进先出的特点
• Deque支持所有元素在头部和尾部进行插入、删除、获取

public interface Deque extends Queue {
    void addFirst(E e);//插入头部，异常会报错
    boolean offerFirst(E e);//插入头部，异常返回false
    E getFirst();//获取头部，异常会报错
    E peekFirst();//获取头部，异常不报错
    E removeFirst();//移除头部，异常会报错
    E pollFirst();//移除头部，异常不报错
    
    void addLast(E e);//插入尾部，异常会报错
    boolean offerLast(E e);//插入尾部，异常返回false
    E getLast();//获取尾部，异常会报错
    E peekLast();//获取尾部，异常不报错
    E removeLast();//移除尾部，异常会报错
    E pollLast();//移除尾部，异常不报错
}

可以将上面的方法画成以下表格，只不过Deque是有头部和尾部的

操作	抛出异常	返回特殊值
插入	add()	offer()
删除	remove()	poll()
查询	element()	peek()

ArrayDeque是什么

• 实现于Deque，拥有队列或者栈特性的接口
• 实现于Cloneable，拥有克隆对象的特性
• 实现于Serializable，拥有序列化的能力

public class ArrayDeque extends AbstractCollection
                       implements Deque, Cloneable, Serializable{}

ArrayDeque的成员变量

//数组存储元素
transient Object[] elements;
//头部元素索引
transient int head;
//尾部元素索引
transient int tail;
//最小容量
private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;

ArrayDeque底层使用数组存储元素，同时还使用head和tail来表示索引，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

ArrayDeque的初始化

public ArrayDeque() {
    elements = new Object[16];
}

public ArrayDeque(int numElements) {
    allocateElements(numElements);
}

public ArrayDeque(Collection c) {
    allocateElements(c.size());
    addAll(c);
}

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];
}

在初始化中，数组要求的大小必须为2^n，所以有这么一个算法，如果当前的大小大于默认规定的大小时，就会去计算出新的大小，那么这个计算过程是怎么样的呢？我们举一个例子进行分析

如果initialCapacity为10的时候，那么二进制为 1010
经过initialCapacity |= (initialCapacity >>>  1)时，那么二进制为 1010 | 0101 = 1111
经过initialCapacity |= (initialCapacity >>>  2)时，那么二进制为 1111 | 0011 = 1111
后面计算的结果都是1111，可以理解为将二进制的低位数都补上1，这样出来的结果都是2^n-1
最后initialCapacity++，2^n-1+1出来的结果就是2^n

这里又有人会有疑问了，为什么initialCapacity>>>16，右移到5位就可以结束呢？那是因为用的是|=符号，从右移1位到5位累加，其实就是整体右移了15位，刚好int值是16位的数，这就刚好满足16位二进制的低位都被补上了1

ArrayDeque的插入

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();
    //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
    if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
        //tail和head相遇，空间用尽，需要扩容
        doubleCapacity();
}

在存储的过程中，这里有个有趣的算法，就是tail的计算公式(tail = (tail + 1) & (elements.length - 1))，注意这里的存储采用的是环形队列的形式，也就是当tail到达容量最后一个的时候，tail就为等于0，否则tail的值tail+1

(tail = (tail + 1) & (elements.length - 1))

证明：(elements.length - 1) = 2^n-1 即二进制的所有低位都为1，假设为 11111111
假设：tail为最后一个元素，则(tail + 1)为 (11111111 + 1) = 100000000
结果：(tail + 1) & (elements.length - 1) = 000000000，tail下一个要添加的索引为0

其插入过程中，如果刚好是最后一个元素时，示例如下图

ArrayDeque的扩容

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;
}

其扩容的过程如下图

ArrayDeque的删除

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;
}

ArrayDeque的查询

@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)];
}

总结

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