ArrayDeque源码分析

Posted 2022-11-28 youxin2012

1. 体系结构

了解特性，先看下体系结构：

如上所示，知道其支持 序列化，克隆，迭代器操作，队列特性。具体实现 除了实现以上接口外，扩展AbstractCollection 抽象类。

2. 应用场景

大炮打苍蝇，还是鸟枪打野猪？工具应用要有场景：
ArrayDeque 为双端队列，支持首部，尾部两端的操作，因此做双端操作可用于fifo等queue, 做单端操作可做为stack.
然而能做queue的还有linkedList, vector等，能做stack有Stack，还要ArrayDeque干嘛？
还是那句话，“应用”是要讲究“场景”的：
linkedList内部实现用node节点链接前后元素，模拟c/c++的链表（优点在于中间节点的增删操作为o(1)）；
vector方法加着synchronized修饰（同步 将带来性能的损耗）；Stack的实现又继承自vector，问题同上。
ArrayDeque 的底层实现为单纯的数组操作，所以单从性能上看，ArrayDeque在优于他们，当然由于没有做同步处理，所以存在并发问题，需要调用方自己保障。

3. 源码实现

源码实现部分，看上去还是相对亲切的（当年大学书本上背烂的链表，堆，队列实现），又复习了一遍C语言入门的队列实现。当然jdk中的设计毕竟是巧妙的。
挑几处分析下：

public boolean isEmpty() 
        return head == tail;
    
 public int size() 
        return (tail - head) & (elements.length - 1);
    
 public E pollFirst() 
        int h = head;
        E result = 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);
        E result = elements[t];
        if (result == null)
            return null;
        elements[t] = null;
        tail = t;
        return result;
    

先说明下关键变量 意义：
head 第一个元素的索引
tail 最后一个元素之后的索引。
如 head指向0，tail指向3，那么有效元素为索引0,1,2 指向的元素，所以元素个数 size() 为 3（即3-0）。

看下上述实现奇怪的地方，大量如此的操作，为何？

(tail - head) & (elements.length - 1)
(h + 1) & (elements.length - 1)

原因在于 arraydeque在实现双端队列时才用为循环数组，存在 tail < head的情况，所以要通过 & (elements.length - 1)操作来修正，使其为正值。
所以我们会想到通过补码是实现是可以的，然而单凭 &(elements.length - 1) 就实现修正，还是难以让我们信服的。
假设 tail = 3, head = 6, elements.length＝10， 那么结果也应该是 7啊 （元素的索引为6，7，8，9，0，1，2），而非 －3&10 = 8 啊 （－3 补码 1111 1101 10补码 0000 1010 结果 0000 1000 为8）
不思不得其解，再看源码，其中有一句话
/**
* The minimum capacity that we’ll use for a newly created deque.
* Must be a power of 2.
*/
所以，一切都明白了，elements.length 即数组长度是有要求的，必须是2的幂指数，如此一切可解，测试一下elments.length 为16，32等都顺利成章通过了，原理也很简单，elments.length 二进制位 00100..00，elments.length－1 为 000111…11可以做掩码了，如此，上述源码理解通过。

关于arrayDequeue在分配空间，要求必须是 2的幂指数，其中有一段实现：

 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 = (E[]) new Object[initialCapacity];
    

关于此处算法的出处，个人目前还没有理解，哪位大侠知道还请告知。但是是否能work，我们还是要验证一下，一下借用一下他人的方法：

public class ArrayDequeCapacity 
    public static void main(String[] args) 
        for (int i = 1; i < 32; i++) 
            int n = (int) Math.pow(2, i) - 1;
            System.out.println(i + " " + n + " " + getCapacity(n));
        
    
    private static int getCapacity(int numElements) 
        int 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;
    

结果：

1 1 2 
2 3 4 
3 7 8 
4 15 16 
5 31 32 
6 63 64 
7 127 128 
8 255 256 
9 511 512 
10 1023 1024 
11 2047 2048 
12 4095 4096 
13 8191 8192 
14 16383 16384 
15 32767 32768 
16 65535 65536 
17 131071 131072 
18 262143 262144 
19 524287 524288 
20 1048575 1048576 
21 2097151 2097152 
22 4194303 4194304 
23 8388607 8388608 
24 16777215 16777216 
25 33554431 33554432 
26 67108863 67108864 
27 134217727 134217728 
28 268435455 268435456 
29 536870911 536870912 
30 1073741823 1073741824 
31 2147483646 1073741824

从验证结果来看，对于计算大于等于一个数的最小2的幂指数运算，这个方法还是工作的很好的。

4. 一些问题

那么，问题又来了，为什么分配空间一定要按2的幂指数，我是赞同其他同学观点的（有其他理由的还请补充）：

1. 从内存空间分配的角度来讲，2的幂指数，更加快内存分配

linux内存分配管理中的伙伴系统以连续2的幂指数（1，2，4，8,…1024）个页帧(page frame) 为单位进行空间分配，而页帧做为标准内存分配单元大小4K, 所以才用 2的幂指数为大数组分配空间是有利于进行内存管理的。

2. 逻辑判断的简化

如上式：

public int size()  
return (tail - head) & (elements.length - 1); 
 

如果没有对 elements.length做要求的话，就要如下判断来

int sub = tail - head; 
if(sub >= 0) 
return sub; 
else  
return sub + elements.length; 

关于arrayDequeue的应用和实现，大致如此。