【集合系列】- 深入浅出分析 ArrayDeque
一、摘要
在 jdk1.5 中，新增了 Queue 接口，代表一种队列集合的实现，咱们继续来聊聊 java 集合体系中的 Queue 接口。
Queue 接口是由大名鼎鼎的 Doug Lea 创建，中文名为道格·利，关于这位大神，会在后期进行介绍，翻开 JDK1.8 源代码，可以将 Queue 接口旗下的实现类抽象成如下结构图：
Queue 接口，主要实现类有：ArrayDeque、LinkedList、PriorityQueue。
关于 LinkedList 实现类，在之前的文章中已经有所介绍，今天咱们来介绍一下 ArrayDeque 这个类，如果有理解不当之处，欢迎指正。
二、简介
在介绍 ArrayDeque 类之前，可以从上图中看出，ArrayDeque 实现了 Deque 接口，Deque 是啥呢，全称含义为double ended queue，即双端队列。Deque 接口的实现类可以被当作 FIFO（队列）使用，也可以当作 LIFO（栈）来使用。
其中队列（FIFO）表示先进先出，比如水管，先进去的水先出来；栈（LIFO）表示先进后出，比如，手枪弹夹，最后进去的子弹，最先出来。
ArrayDeque 是 Deque 接口的一种具体实现，所以，既可以当成队列，也可以当成栈来使用，类定义如下：
public class ArrayDeque extends AbstractCollection
implements Deque, Cloneable, Serializable{
} 当作为队列使用时，我们会将它与 LinkedList 类来做对比，在后文，我们会做测试类来将两者进行详细数据对比。因为 Deque 接口继承自 Queue接口，在这里，我们分别列出两者接口所定义的方法，两者内容区别如下：
当作为栈使用时，难免会将它与 Java 中一个叫做 Stack 的类做比较，Stack 类的数据结构也是后进先出，可以作为栈来使用，我们分别列出 Stack 类和 Deque 接口所定义的方法，两者内容区别如下：
虽然，ArrayDeque 和 Stack 类都可以作为栈来使用，但是 ArrayDeque 的效率要高于 Stack 类，并且功能也比 Stack 类丰富的多，当需要使用栈时，Java 已不推荐使用 Stack，而是推荐使用更高效的 ArrayDeque，次选 LinkedList 。
从上面两张图中可以看出，Deque 总共定义了 2 组方法，添加、删除、取值都有两套方法，它们功能相同，区别是对失败情况的处理不同，一组方法是遇到失败会抛异常，另一组方法是遇到失败会返回null。
方法虽然定义的很多，但无非就是对容器的两端进行添加、删除、查询操作，明白这一点，那么使用起来就很简单了。
继续回到咱们要介绍的这个 ArrayDeque 类，从名字上可以看出 ArrayDeque 底层是通过数组实现的，为了满足可以同时在数组两端插入或删除元素的需求，该数组还必须是循环的，即循环数组，也就是说数组的任何一点都可能被看作起点或者终点。
因为是循环数组，所以 head 不一定总是指向下标为 0 的数组元素，tail 也不一定总是比 head 大。
这一点，我们可以通过 ArrayDeque 源码分析得出这些结论，打开 ArrayDeque 的源码分析，可以看到，主要有3个关键参数：
- elements：用于存放数组元素。
- head：用于指向数组中头部下标。
- tail：用于指向数组中尾部下标。
public class ArrayDeque extends AbstractCollection
implements Deque, Cloneable, Serializable{
/**用于存放数组元素*/
transient Object[] elements;
/**用于指向数组中头部下标*/
transient int head;
/**用于指向数组中尾部下标*/
transient int tail;
/**最小容量，必须为2的幂次方*/
private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;
} 与此同时，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，其中默认容量为 16。
public ArrayDeque() {
//默认初始化数组大小为 16
elements = new Object[16];
}指定容量初始化方法，源码如下：
public ArrayDeque(int numElements) {
//指定容量
allocateElements(numElements);
}我们来看看指定容量调用的allocateElements方法，源码如下：
private void allocateElements(int numElements) {
elements = new Object[calculateSize(numElements)];
}calculateSize方法，源码如下：
private static int calculateSize(int numElements) {
//最小容量为 8
int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;
//如果容量大于8，比如是2的倍数
if (numElements >= initialCapacity) {
initialCapacity = numElements;
initialCapacity |= (initialCapacity >>> 1);
initialCapacity |= (initialCapacity >>> 2);
initialCapacity |= (initialCapacity >>> 4);
initialCapacity |= (initialCapacity >>> 8);
initialCapacity |= (initialCapacity >>> 16);
initialCapacity++;
//容量超出int 型最大范围，直接扩容到最大容量到 2 ^ 30
if (initialCapacity < 0)
initialCapacity >>>= 1;
}
return initialCapacity;
}ArrayDeque 默认初始化容量为 16，如果指定容量，必须是 2 的倍数，当数组容量超过 int 型最大范围时，直接扩容到最大容量到2 ^ 30。
三、常见方法介绍
3.1、添加方法
ArrayDeque，添加元素的方法有两种，一种是通过数组尾部下标进行添加，另一种是向数组头部下标进行添加。两种添加方式，按照处理方式的不同，一种处理方式是返回为空，另一种处理方式是成功返回true，两者共性是如果添加失败直接抛异常。
3.1.1、addLast 方法
addLast 方法，表示向尾部添加元素，操作如下图：
如果插入失败，就失败抛异常，同时添加的元素不能为空null，源码如下：
public void addLast(E e) {
//不允许放入null
if (e == null)
throw new NullPointerException();
elements[tail] = e;//将元素插入到尾部
//将尾部进行+1，判断下标是否越界
if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
//数组下标越界，进行扩容
doubleCapacity();
}值得注意的是(tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head这个方法，
可以把它拆成两个步骤，第一个步骤是计算tail数组尾部值，等于(tail + 1) & (elements.length - 1)，这个操作是先对尾部参数进行+1处理，然后结合数组长度通过位运算得到尾部值，因为elements.length是2的倍数，所以，位运算类似做%得到其余数。
假设，elements.length等于16，测试如下：
public static void main(String[] args) {
int tail = 0;
int[] elements = new int[16];
for (int i = 0; i < elements.length; i++) {
tail = (tail + 1) & (elements.length - 1);
System.out.println("第" + (i+1) + "次计算，结果值：" + tail);
}
}输出结果：
第1次计算，结果值：1
第2次计算，结果值：2
第3次计算，结果值：3
第4次计算，结果值：4
第5次计算，结果值：5
第6次计算，结果值：6
第7次计算，结果值：7
第8次计算，结果值：8
第9次计算，结果值：9
第10次计算，结果值：10
第11次计算，结果值：11
第12次计算，结果值：12
第13次计算，结果值：13
第14次计算，结果值：14
第15次计算，结果值：15
第16次计算，结果值：0尾部下标从1、2、3、.....、14、15、0，依次按照顺序存储，当达到最大值之后，返回到头部，从 0 开始，结果是一个循环下标。
第二个步骤是判断tail == head是否相等，当计算处理的尾部下标循环到与头部下标重合的时候，说明数组长度已经装满，直接进行扩容处理。
我们来看看doubleCapacity()扩容这个方法，其逻辑是申请一个更大的数组（原数组的两倍），然后将原数组复制过去，流程图下：
doubleCapacity()扩容源码如下：
private void doubleCapacity() {
//扩容时头部索引和尾部索引肯定相等
assert head == tail;
int p = head;
int n = elements.length;
//计算头部索引到数组末端(length-1处)共有多少元素
int r = n - p;
//容量翻倍，相当于 2 * n
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];
//复制头部索引至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;
head = 0;
tail = n;
}复制数组分两次进行，第一次复制 head 头部索引至数组末端的元素到新数组，第二次复制 head 左边的元素到新数组。
3.1.2、offerLast 方法
offerLast 方法，调用了addLast()方法，两者不同之处，offerLast 有返回值，如果添加成功，则返回true，反之，抛异常；而 addLast 无返回值。
offerLast 方法源码如下：
public boolean offerLast(E e) {
addLast(e);
return true;
}3.1.3、addFirst 方法
addFirst 方法，与addLast()方法一样，都是向数组中添加元素，不同的是，addFirst 方法是向头部添加元素，与 addLast 方法正好相反，但是算法原理是一样。
addFirst 方法源码如下：
public void addFirst(E e) {
//不允许元素为 null
if (e == null)
throw new NullPointerException();
//使用头部参数计算下标
elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
if (head == tail)
//如果头部与尾部重合，进行数组扩容
doubleCapacity();
}假设elements.length等于 16，我们来测试一下，通过 head 计算的数组下标值，测试方法如下：
public static void main(String[] args) {
int head = 0;
int[] elements = new int[16];
for (int i = 0; i < elements.length; i++) {
head = (head - 1) & (elements.length - 1);
System.out.println("第" + (i+1) + "次计算，结果值：" + head);
}
}输出结果：
第1次计算，结果值：15
第2次计算，结果值：14
第3次计算，结果值：13
第4次计算，结果值：12
第5次计算，结果值：11
第6次计算，结果值：10
第7次计算，结果值：9
第8次计算，结果值：8
第9次计算，结果值：7
第10次计算，结果值：6
第11次计算，结果值：5
第12次计算，结果值：4
第13次计算，结果值：3
第14次计算，结果值：2
第15次计算，结果值：1
第16次计算，结果值：0头部计算的下标从15、14、13、.....、2、1、0，依次从大到小按照顺序存储，当达到最小值之后，返回到头部，从 0 开始，结果也是一个循环下标。
具体实现流程与addLast流程正好相反，就不再赘述了。
3.1.4、offerFirst 方法
offerFirst 方法，调用了addFirst方法，两者不同之处，offerFirst 有返回值，如果添加成功，则返回true，反之，抛异常；而 addFirst 无返回值。
offerFirst 方法源码如下：
public boolean offerFirst(E e) {
addFirst(e);
return true;
}3.2、删除方法
ArrayDeque，删除元素的方法有两种，一种是通过数组尾部下标进行删除，另一种是通过数组头部下标进行删除。两种删除方式，按照处理方式的不同，一种处理方式是删除失败抛异常，另一种处理方式是删除失败返回null。
3.2.1、pollFirst 方法
pollFirst 方法，表示删除头部元素，并返回删除的元素。
pollFirst 方法源码如下：
public E pollFirst() {
//获取数组头部
int h = head;
E result = (E) elements[h];
//判断头部元素是否为空
if (result == null)
return null;
//设为null，方便GC回收
elements[h] = null;
//向上移动头部元素
head = (h + 1) & (elements.length - 1);
return result;
}pollFirst 方法是先获取数组头部元素，判断元素是否存在，如果不存在，直接返回null，如果存在，将其设为null，并返回元素。
3.2.2、removeFirst 方法
removeFirst 方法，调用了pollFirst方法，两者不同的是，removeFirst 方法，如果删除元素失败会抛异常，而 pollFirst 方法会返回null，源码如下：
public E removeFirst() {
E x = pollFirst();
//返回为null ，抛异常
if (x == null)
throw new NoSuchElementException();
return x;
}3.2.3、pollLast 方法
pollLast 方法，与pollFirst方法正好相反，对数组尾部元素进行删除，并返回元素。
pollLast 方法，源码如下：
public E pollLast() {
//通过尾部计算数组下标
int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);
E result = (E) elements[t];
//判断是否为空
if (result == null)
return null;
//设为null
elements[t] = null;
tail = t;
return result;
}pollLast 方法是先通过数组尾部计算数组元素下标，判断元素是否存在，如果不存在，直接返回null，如果存在，将其设为null，并返回元素。
3.2.4、removeLast 方法
removeLast 方法，调用了pollLast方法，两者不同的是，removeLast 方法，如果删除元素失败会抛异常，而 pollLast 方法会返回null，源码如下：
public E removeLast() {
E x = pollLast();
//返回为null ，抛异常
if (x == null)
throw new NoSuchElementException();
return x;
}3.3、查询方法
ArrayDeque，查询元素的方法也有两种，一种是通过数组尾部下标进行获取，另一种是通过数组头部下标进行获取。两种查询方式，按照处理方式的不同，一种处理方式是查询失败抛异常，另一种处理方式是查询失败返回null。
3.3.1、peekFirst 方法
peekFirst 方法，表示通过数组头部获取数组元素，可能返回null，源码如下：
public E peekFirst() {
//可能返回null
return (E) elements[head];
}3.3.2、getFirst 方法
getFirst 方法，表示通过数组头部获取数组元素，如果返回null则抛异常，源码如下：
public E getFirst() {
E result = (E) elements[head];
//查询返回null ，抛异常
if (result == null)
throw new NoSuchElementException();
return result;
}3.3.3、peekLast 方法
peekLast 方法，表示通过数组尾部获取数组元素，可能返回null，源码如下：
public E peekFirst() {
//可能返回null
return (E) elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)];
}3.3.4、getLast 方法
getLast 方法，表示通过数组尾部获取数组元素，如果返回null则抛异常，源码如下：
public E getLast() {
//获取数组尾部下标
E result = (E) elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)];
//查询返回null，抛异常
if (result == null)
throw new NoSuchElementException();
return result;
}四、性能比较
ArrayDeque 和 LinkedList 都是 Deque 接口的实现类，都具备既可以作为队列，又可以作为栈来使用的特性，两者主要区别在于底层数据结构的不同。
ArrayDeque 底层数据结构是以循环数组为基础，而 LinkedList 底层数据结构是以循环链表为基础。理论上，链表在添加、删除方面性能高于数组结构，在查询方面数组结构性能高于链表结构，但是对于数组结构，如果不进行数组移动，在添加方面效率也很高。
下面，分别以10万条数据为基础，通过添加、删除，来测试两者作为队列、栈使用时所消耗的时间。
4.1、ArrayDeque性能测试
4.1.1、作为队列
public static void main(String[] args) {
ArrayDeque arrayDeque = new ArrayDeque<>();
long addStart = System.currentTimeMillis();
//向队列尾部插入 10W 条数据
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
arrayDeque.addLast(i + "");
}
long result1 = System.currentTimeMillis() - addStart;
System.out.println("向队列尾部插入10W条数据耗时：" + result1);
//获取并删除队首元素
long deleteStart = System.currentTimeMillis();
while (true){
String content = arrayDeque.pollFirst();
if(content == null){
break;
}
}
long result2 = System.currentTimeMillis() - deleteStart;
System.out.println("\n从头部删除队列10W条数据耗时：" + result2);
System.out.println("队列元素总数：" + arrayDeque.size());
} 输出结果：
向队列尾部插入10W条数据耗时：59
从队列头部删除10W条数据耗时：4
队列元素总数：04.1.2、作为栈
public static void main(String[] args) {
ArrayDeque arrayDeque = new ArrayDeque<>();
long addStart = System.currentTimeMillis();
//向栈顶插入 10W 条数据
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
arrayDeque.addFirst(i + "");
}
long result1 = System.currentTimeMillis() - addStart;
System.out.println("向栈顶插入10W条数据耗时：" + result1);
//获取并删除栈顶元素
long deleteStart = System.currentTimeMillis();
while (true){
String content = arrayDeque.pollFirst();
if(content == null){
break;
}
}
long result2 = System.currentTimeMillis() - deleteStart;
System.out.println("从栈顶删除10W条数据耗时：" + result2);
System.out.println("栈元素总数：" + arrayDeque.size());
} 输出结果：
向栈顶插入10W条数据耗时：61
从栈顶删除10W条数据耗时：3
栈元素总数：04.2、LinkedList
4.2.1、作为队列
public static void main(String[] args) {
LinkedList linkedList = new LinkedList();
long addStart = System.currentTimeMillis();
//向队列尾部插入 10W 条数据
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
linkedList.addLast(i + "");
}
long result1 = System.currentTimeMillis() - addStart;
System.out.println("向队列尾部插入10W条数据耗时：" + result1);
//获取并删除队首元素
long deleteStart = System.currentTimeMillis();
while (true){
String content = linkedList.pollFirst();
if(content == null){
break;
}
}
long result2 = System.currentTimeMillis() - deleteStart;
System.out.println("从队列头部删除10W条数据耗时：" + result2);
System.out.println("队列元素总数：" + linkedList.size());
} 输出结果：
向队列尾部插入10W条数据耗时：70
从队列头部删除10W条数据耗时：5
队列元素总数：04.2.2、作为栈
public static void main(String[] args) {
LinkedList linkedList = new LinkedList();
long addStart = System.currentTimeMillis();
//向栈顶插入 10W 条数据
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
linkedList.addFirst(i + "");
}
long result1 = System.currentTimeMillis() - addStart;
System.out.println("向栈顶插入10W条数据耗时：" + result1);
//获取并删除栈顶元素
long deleteStart = System.currentTimeMillis();
while (true){
String content = linkedList.pollFirst();
if(content == null){
break;
}
}
long result2 = System.currentTimeMillis() - deleteStart;
System.out.println("从栈顶删除10W条数据耗时：" + result2);
System.out.println("栈元素总数：" + linkedList.size());
} 输出结果：
向栈顶插入10W条数据耗时：71
从栈顶删除10W条数据耗时：5
栈元素总数：04.3、总结
我们分别以10万条数据、100万条数据、1000万条数据来测试，两个类在作为队列和栈方面的性能，可能因为机器的不同，每个机器的测试结果不同，本次使用的是 mac 机器，测试结果如下图：
从数据上可以看出，在 10 万条数据下，两者性能都差不多，当达到 100 万条、1000 万条数据的时候，两者的差别就比较明显了，ArrayDeque 无论是作为队列还是作为栈使用，性能均高于 LinkedList 。
为什么 ArrayDeque 性能，在大数据量的时候，明显高于 LinkedList？
个人分析，我们曾在集合系列文章中提到过 LinkedList，LinkedList 底层是以循环链表来实现的，每一个节点都有一个前驱、后继的变量，也就是说，每个节点上都存放有它上一个节点的指针和它下一个节点的指针，同时还包括它自己的元素，在同等的数据量情况下，链表的内存开销要明显大于数组，同时因为 ArrayDeque 底层是数组结构，天然在查询方面在优势，在插入、删除方面，只需要移动一下头部或者尾部变量，时间复杂度是 O（1）。
所以，在大数据量的时候，LinkedList 的内存开销明显大于 ArrayDeque，在插入、删除方面，都要频发修改节点的前驱、后继变量；而 ArrayDeque 在插入、删除方面依然保存高性能。
如果对于小数据量，ArrayDeque 和 LinkedList 在效率方面相差不大，但是对于大数据量，推荐使用 ArrayDeque。
五、总结
ArrayDeque 底层基于循环数组实现，既可以作为队列使用，又可以作为栈来使用。
ArrayDeque 作为栈的时候，经常会将它与 Stack 做对比，Stack 也是一个可以作为栈使用的类，但是 Java 已不推荐使用它，如果要使用栈，推荐使用更高效的 ArrayDeque。
与此同时，ArrayDeque 和 LinkedList 都是 Deque 接口的实现类，两者差别在于底层数据结构的不同，LinkedList 底层基于循环链表实现，内存开销高于 ArrayDeque，在小数据量的时候，两者效率差别不大；在大数据量的时候，ArrayDeque 性能高于 LinkedList，推荐使用 ArrayDeque 类。
还有一个不同的地方是，ArrayDeque 不允许插入null，而 LinkedList 允许插入null；同时，两者都是非线程安全的，如果在多线程环境下，建议使用 Java 并发工具包里面的操作类。
六、参考
1、JDK1.7&JDK1.8 源码
2、知乎 - CarpenterLee -Java ArrayDeque源码剖析