java多线程并发之旅-16-双端队列之 ArrayDeque
ArrayDeque
ArrayDeque不是线程安全的。
ArrayDeque不可以存取null元素，因为系统根据某个位置是否为null来判断元素的存在。
当作为栈使用时，性能比Stack好；当作为队列使用时，性能比LinkedList好。
特性
-
无容量大小限制，容量按需增长；
-
非线程安全队列，无同步策略，不支持多线程安全访问；
-
当用作栈时，性能优于Stack，当用于队列时，性能优于LinkedList
-
两端都可以操作
-
具有fail-fast特征
-
不能存储null
-
支持双向迭代器遍历
常用方法
1.添加元素
addFirst(E e)在数组前面添加元素
addLast(E e)在数组后面添加元素
offerFirst(E e) 在数组前面添加元素，并返回是否添加成功
offerLast(E e) 在数组后天添加元素，并返回是否添加成功
2.删除元素
removeFirst() 删除第一个元素，并返回删除元素的值,如果元素为null，将抛出异常
pollFirst() 删除第一个元素，并返回删除元素的值，如果元素为null，将返回null
removeLast() 删除最后一个元素，并返回删除元素的值，如果为null，将抛出异常
pollLast() 删除最后一个元素，并返回删除元素的值，如果为null，将返回null
removeFirstOccurrence(Object o) 删除第一次出现的指定元素
removeLastOccurrence(Object o) 删除最后一次出现的指定元素
3.获取元素
getFirst() 获取第一个元素,如果没有将抛出异常
getLast() 获取最后一个元素，如果没有将抛出异常
4.队列操作
add(E e) 在队列尾部添加一个元素
offer(E e) 在队列尾部添加一个元素，并返回是否成功
remove() 删除队列中第一个元素，并返回该元素的值，如果元素为null，将抛出异常(其实底层调用的是removeFirst())
poll() 删除队列中第一个元素，并返回该元素的值,如果元素为null，将返回null(其实调用的是pollFirst())
element() 获取第一个元素，如果没有将抛出异常
peek() 获取第一个元素，如果返回null
5.栈操作
push(E e) 栈顶添加一个元素
pop(E e) 移除栈顶元素,如果栈顶没有元素将抛出异常
6.其他
size() 获取队列中元素个数
isEmpty() 判断队列是否为空
iterator() 迭代器，从前向后迭代
descendingIterator() 迭代器，从后向前迭代
contain(Object o) 判断队列中是否存在该元素
toArray() 转成数组
clear() 清空队列
clone() 克隆(复制)一个新的队列
使用入门测试
public class DequeTest {
public static void main(String[] args){
// 初始化容量为4
ArrayDeque<String> arrayDeque = new ArrayDeque<>(4);
//添加元素
arrayDeque.add("A");
arrayDeque.add("B");
arrayDeque.add("C");
arrayDeque.add("D");
arrayDeque.add("E");
arrayDeque.add("F");
arrayDeque.add("G");
arrayDeque.add("H");
arrayDeque.add("I");
System.out.println(arrayDeque);
// 获取元素
String a = arrayDeque.getFirst();
String a1 = arrayDeque.pop();
String b = arrayDeque.element();
String b1 = arrayDeque.removeFirst();
String c = arrayDeque.peek();
String c1 = arrayDeque.poll();
String d = arrayDeque.pollFirst();
String i = arrayDeque.pollLast();
String e = arrayDeque.peekFirst();
String h = arrayDeque.peekLast();
String h1 = arrayDeque.removeLast();
System.out.printf("a = %s, a1 = %s, b = %s, b1 = %s, c = %s, c1 = %s, d = %s, i = %s, e = %s, h = %s, h1 = %s", a,a1,b,b1,c,c1,d,i,e,h,h1);
System.out.println();
// 添加元素
arrayDeque.push(e);
arrayDeque.add(h);
arrayDeque.offer(d);
arrayDeque.offerFirst(i);
arrayDeque.offerLast(c);
arrayDeque.offerLast(h);
arrayDeque.offerLast(c);
arrayDeque.offerLast(h);
arrayDeque.offerLast(i);
arrayDeque.offerLast(c);
System.out.println(arrayDeque);
// 移除第一次出现的C
arrayDeque.removeFirstOccurrence(c);
System.out.println(arrayDeque);
// 移除最后一次出现的C
arrayDeque.removeLastOccurrence(c);
System.out.println(arrayDeque);
}
}
- 输出日志
[A, B, C, D, E, F, G, H, I]
a = A, a1 = A, b = B, b1 = B, c = C, c1 = C, d = D, i = I, e = E, h = H, h1 = H
[I, E, E, F, G, H, D, C, H, C, H, I, C]
[I, E, E, F, G, H, D, H, C, H, I, C]
[I, E, E, F, G, H, D, H, C, H, I]
卡拉兹(Callatz)猜想
题目
对任何一个自然数n，如果它是偶数，那么把它砍掉一半；如果它是奇数，那么把(3n+1)砍掉一半。这样一直反复砍下去，最后一定在某一步得到n=1。当我们验证卡拉兹猜想的时候，为了避免重复计算，可以记录下递推过程中遇到的每一个数。例如对n=3进行验证的时候，我们需要计算3、5、8、4、2、1，则当我们对n=5、8、4、2进行验证的时候，就可以直接判定卡拉兹猜想的真伪，而不需要重复计算，因为这4个数已经在验证3的时候遇到过了，我们称5、8、4、2是被3“覆盖”的数。我们称一个数列中的某个数n为“关键数”，如果n不能被数列中的其他数字所覆盖。
现在给定一系列待验证的数字，我们只需要验证其中的几个关键数，就可以不必再重复验证余下的数字。你的任务就是找出这些关键数字，并按从大到小的顺序输出它们。
输入格式：每个测试输入包含1个测试用例，第1行给出一个正整数K(<100)，第2行给出K个互不相同的待验证的正整数n(1
输出格式：每个测试用例的输出占一行，按从大到小的顺序输出关键数字。数字间用1个空格隔开，但一行中最后一个数字后没有空格。
输入样例：
6
3 5 6 7 8 11
输出样例：
7 6
使用 Deque 来编码
import java.util.ArrayDeque;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Deque;
import java.util.List;
import java.util.Queue;
import java.util.Scanner;
import java.util.SortedSet;
import java.util.TreeSet;
public class PAT1005 {
public static void main(String[] args) {
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
int numSize=scanner.nextInt();
ArrayDeque<Integer> newArrayDeque=new ArrayDeque<Integer>();
ArrayDeque<Integer> closeArrayDeque=new ArrayDeque<Integer>();
int i;
while (scanner.hasNext()) { //读取键盘输入值
for (i = 0; i < numSize; i++) {
newArrayDeque.add(scanner.nextInt());
}
if (i>=numSize) {
break;
}
}
int temp;
for (Integer integer : newArrayDeque) { //将非关键数存入closeArrayDeque中
temp=integer;
while (temp!=1) {
if (temp%2==0) {
temp=temp/2;
if (newArrayDeque.contains(temp)) {
closeArrayDeque.add(temp);
}
}else {
temp=(temp*3+1)/2;
if (newArrayDeque.contains(temp)) {
closeArrayDeque.add(temp);
}
}
}
}
SortedSet<Integer> sortedSet=new TreeSet<Integer>(); //sortedSet用于存放关键数
for (Integer integer : newArrayDeque) {
if (!closeArrayDeque.contains(integer)) {
sortedSet.add(integer);
}
}
int[] leftInt=new int[sortedSet.size()];
int j=sortedSet.size()-1;
for (Integer integer : sortedSet) {
leftInt[j]=integer;
j--;
}
for (int j2 = 0; j2 < leftInt.length; j2++) { //按照从大到小的顺序输出关键数
if (j2==leftInt.length-1) {
System.out.println(leftInt[j2]);
}else {
System.out.print(leftInt[j2]+" ");
}
}
}
}
源码分析
jdk 版本: 1.8.0_191
接口
public class ArrayDeque<E> extends AbstractCollection<E>
implements Deque<E>, Cloneable, Serializable
基础属性
/**
* The array in which the elements of the deque are stored.
* The capacity of the deque is the length of this array, which is
* always a power of two. The array is never allowed to become
* full, except transiently within an addX method where it is
* resized (see doubleCapacity) immediately upon becoming full,
* thus avoiding head and tail wrapping around to equal each
* other. We also guarantee that all array cells not holding
* deque elements are always null.
*/
transient Object[] elements; // non-private to simplify nested class access
/**
* The index of the element at the head of the deque (which is the
* element that would be removed by remove() or pop()); or an
* arbitrary number equal to tail if the deque is empty.
*/
transient int head;
/**
* The index at which the next element would be added to the tail
* of the deque (via addLast(E), add(E), or push(E)).
*/
transient int tail;
/**
* The minimum capacity that we'll use for a newly created deque.
* Must be a power of 2.
*/
private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;
elements 用来存放元素对象，MIN_INITIAL_CAPACITY 是容器的最小初始值。
head、tail 分别是头尾指针。
构造器
/**
* Constructs an empty array deque with an initial capacity
* sufficient to hold 16 elements.
*/
public ArrayDeque() {
elements = new Object[16];
}
/**
* Constructs an empty array deque with an initial capacity
* sufficient to hold the specified number of elements.
*
* @param numElements lower bound on initial capacity of the deque
*/
public ArrayDeque(int numElements) {
allocateElements(numElements);
}
/**
* Constructs a deque containing the elements of the specified
* collection, in the order they are returned by the collection's
* iterator. (The first element returned by the collection's
* iterator becomes the first element, or front of the
* deque.)
*
* @param c the collection whose elements are to be placed into the deque
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
public ArrayDeque(Collection<? extends E> c) {
allocateElements(c.size());
addAll(c);
}
allocateElements() 方法
/**
* Allocates empty array to hold the given number of elements.
*
* @param numElements the number of elements to hold
*/
private void allocateElements(int numElements) {
elements = new Object[calculateSize(numElements)];
}
- calculateSize()
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;
}
位运算用的真熟练。参见 java 位运算
在这系列操作中，其他位只是配角，我们只需要关注第一个不为0的位即可，假设其为第n位，先右移一位然后进行或操作，得到的结果，第n位和第n-1位肯定为1，这样就有两个位为1了，然后进行右移两位，再进行或操作，那么第n位到第n-3位一定都为1，然后右移4位，依次类推。int为32位，因此，最后只需要移动16位即可。1+2+4+8+16 = 31，所以经过这一波操作，原数字对应的二进制，操作得到的结果将是从其第一个不为0的位开始，往后的位均为1。
元素的插入
/**
* Inserts the specified element at the front of this deque.
*
* @param e the element to add
* @throws NullPointerException if the specified element is null
*/
public void addFirst(E e) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
if (head == tail)
doubleCapacity();
}
/**
* Inserts the specified element at the end of this deque.
*
* This method is equivalent to {@link #add}.
*
* @param e the element to add
* @throws NullPointerException if the specified element is null
*/
public void addLast(E e) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
elements[tail] = e;
if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
doubleCapacity();
}
/**
* Inserts the specified element at the front of this deque.
*
* @param e the element to add
* @return {@code true} (as specified by {@link Deque#offerFirst})
* @throws NullPointerException if the specified element is null
*/
public boolean offerFirst(E e) {
addFirst(e);
return true;
}
元素的定位
elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e 位运算定位元素。
因为列表的大小在申请时，是 2 的次幂。这里可以使用这种高性能的运算方式获取元素的位置。
扩容 doubleCapacity
因为elements.length是2的幂次方，所以减一后就变成了掩码，tail如果记录的是最后一个位置，即 elements.length - 1，tail + 1 则等于elements.length，与 elements.length - 1 做与操作后，就变成了0，嗯，没错，这样就变成了一个循环数组，如果tail与head相等，则表示没有剩余空间可以存放更多元素了，则调用doubleCapacity进行扩容：
当队列满的时候进行扩容。
扩容条件：if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
扩容大小：简单粗暴，直接翻倍。
扩容方式：创建一个双倍大小的数组，元素直接拷贝过来(分别放在首尾)。
/**
* Doubles the capacity of this deque. Call only when full, i.e.,
* when head and tail have wrapped around to become equal.
*/
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;
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;
}
删除元素
也是通过位运算获取指定位置的元素。
然后将元素置为 null。
如果元素不存在，则直接抛出异常：NoSuchElementException
/**
* @throws NoSuchElementException {@inheritDoc}
*/
public E removeFirst() {
E x = pollFirst();
if (x == null)
throw new NoSuchElementException();
return x;
}
/**
* @throws NoSuchElementException {@inheritDoc}
*/
public E removeLast() {
E x = pollLast();
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;
}
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;
}
获取元素
获取元素相对比较简单。
因为底层的存储结构是数组，直接指定元素位置获取即可。
如果从队列后面获取，则通过 (tail - 1) & (elements.length - 1) 获取元素的下标。
元素不存在：抛出异常 NoSuchElementException
/**
* @throws NoSuchElementException {@inheritDoc}
*/
public E getFirst() {
@SuppressWarnings("unchecked")
E result = (E) elements[head];
if (result == null)
throw new NoSuchElementException();
return result;
}
/**
* @throws NoSuchElementException {@inheritDoc}
*/
public E getLast() {
@SuppressWarnings("unchecked")
E result = (E) elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)];
if (result == null)
throw new NoSuchElementException();
return result;
}
@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)];
}
后续学习
这个不是线程安全的类。
如果我们希望在多线程中使用，该怎么办呢？
见下一节：LinkedBlockingDeque
参考资料
ArrayDeque类的使用详解
【Java入门提高篇】Day32 Java容器类详解（十四）ArrayDeque详解
Java ArrayDeque使用方法详解
目录
java多线程并发之旅-01-并发概览