Java ArrayDeque源碼剖析

2019-11-06 07:26:00

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引用自此博客文章，感謝CarpenterLee

java ArrayDeque源碼剖析

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前言

Java里有一個叫做Stack的類，卻沒有叫做Queue的類（它是個接口名字）。當需要使用棧時，Java已不推薦使用Stack，而是推薦使用更高效的ArrayDeque；既然Queue只是一個接口，當需要使用隊列時也就首選ArrayDeque了（次選是LinkedList）。

總體介紹

要講棧和隊列，首先要講Deque接口。Deque的含義是“double ended queue”，即雙端隊列，它既可以當作棧使用，也可以當作隊列使用。下表列出了Deque與Queue相對應的接口：

Deque與Queue對應接口

下表列出了Deque與Stack對應的接口：

Deque與Stack對應接口

上面兩個表共定義了Deque的12個接口。添加，刪除，取值都有兩套接口，它們功能相同，區(qū)別是對失敗情況的處理不同。一套接口遇到失敗就會拋出異常，另一套遇到失敗會返回特殊值（false或null）。除非某種實現(xiàn)對容量有限制，大多數情況下，添加操作是不會失敗的。雖然Deque的接口有12個之多，但無非就是對容器的兩端進行操作，或添加，或刪除，或查看。明白了這一點講解起來就會非常簡單。

ArrayDeque和LinkedList是Deque的兩個通用實現(xiàn)，由于官方更推薦使用AarryDeque用作棧和隊列，加之上一篇已經講解過LinkedList，本文將著重講解ArrayDeque的具體實現(xiàn)。

從名字可以看出ArrayDeque底層通過數組實現(xiàn)，為了滿足可以同時在數組兩端插入或刪除元素的需求，該數組還必須是循環(huán)的，即循環(huán)數組（circular array），也就是說數組的任何一點都可能被看作起點或者終點。ArrayDeque是非線程安全的（not thread-safe），當多個線程同時使用的時候，需要程序員手動同步；另外，該容器不允許放入null元素。

ArrayDeque

上圖中我們看到，head指向首端第一個有效元素，tail指向尾端第一個可以插入元素的空位。因為是循環(huán)數組，所以head不一定總等于0，tail也不一定總是比head大。

方法剖析

addFirst()

addFirst(E e)的作用是在Deque的首端插入元素，也就是在head的前面插入元素，在空間足夠且下標沒有越界的情況下，只需要將elements[--head] = e即可。

addFirst()

實際需要考慮：1.空間是否夠用，以及2.下標是否越界的問題。上圖中，如果head為0之后接著調用addFirst()，雖然空余空間還夠用，但head為-1，下標越界了。下列代碼很好的解決了這兩個問題。

//addFirst(E e)public void addFirst(E e) { if (e == null)//不允許放入null throw new NullPointerException(); elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;//2.下標是否越界 if (head == tail)//1.空間是否夠用 doubleCapacity();//擴容}

上述代碼我們看到，空間問題是在插入之后解決的，因為tail總是指向下一個可插入的空位，也就意味著elements數組至少有一個空位，所以插入元素的時候不用考慮空間問題。

下標越界的處理解決起來非常簡單，head = (head - 1) & (elements.length - 1)就可以了，這段代碼相當于取余，同時解決了head為負值的情況。因為elements.length必需是2的指數倍，elements - 1就是二進制低位全1，跟head - 1相與之后就起到了取模的作用，如果head - 1為負數（其實只可能是-1），則相當于對其取相對于elements.length的補碼。

下面再說說擴容函數doubleCapacity()，其邏輯是申請一個更大的數組（原數組的兩倍），然后將原數組復制過去。過程如下圖所示：

doubleCapacity()

圖中我們看到，復制分兩次進行，第一次復制head右邊的元素，第二次復制head左邊的元素。

//doubleCapacity()PRivate void doubleCapacity() { assert head == tail; int p = head; int n = elements.length; int r = n - p; // head右邊元素的個數 int newCapacity = n << 1;//原空間的2倍 if (newCapacity < 0) throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big"); Object[] a = new Object[newCapacity]; System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);//復制右半部分，對應上圖中綠色部分 System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);//復制左半部分，對應上圖中灰色部分 elements = (E[])a; head = 0; tail = n;}

addLast()

addLast(E e)的作用是在Deque的尾端插入元素，也就是在tail的位置插入元素，由于tail總是指向下一個可以插入的空位，因此只需要elements[tail] = e;即可。插入完成后再檢查空間，如果空間已經用光，則調用doubleCapacity()進行擴容。

addLast()

public void addLast(E e) { if (e == null)//不允許放入null throw new NullPointerException(); elements[tail] = e;//賦值 if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)//下標越界處理 doubleCapacity();//擴容}

下標越界處理方式addFirt()中已經講過，不再贅述。

pollFirst()

pollFirst()的作用是刪除并返回Deque首端元素，也即是head位置處的元素。如果容器不空，只需要直接返回elements[head]即可，當然還需要處理下標的問題。由于ArrayDeque中不允許放入null，當elements[head] == null時，意味著容器為空。

public E pollFirst() { E result = elements[head]; if (result == null)//null值意味著deque為空 return null; elements[h] = null;//let GC work head = (head + 1) & (elements.length - 1);//下標越界處理 return result;}

pollLast()

pollLast()的作用是刪除并返回Deque尾端元素，也即是tail位置前面的那個元素。

public E pollLast() { int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);//tail的上一個位置是最后一個元素 E result = elements[t]; if (result == null)//null值意味著deque為空 return null; elements[t] = null;//let GC work tail = t; return result;}

peekFirst()

peekFirst()的作用是返回但不刪除Deque首端元素，也即是head位置處的元素，直接返回elements[head]即可。

public E peekFirst() { return elements[head]; // elements[head] is null if deque empty}

peekLast()

peekLast()的作用是返回但不刪除Deque尾端元素，也即是tail位置前面的那個元素。

public E peekLast() { return elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)];}

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