ArrayDeque 简析

Posted 2021-06-15 乌龟王八蛋

ArrayDeque 简析

基本使用

ArrrayDeque，实现了 Deque 接口、间接实现了 Queue 接口、

• public class ArrayDeque<e> extends AbstractCollection<e> implements Deque<e>, Cloneable, Serializable {}
• public interface Deque<e> extends Queue<e> {}

ArrayDeque 是对于 ArrayList 的补充，二者都是的底层都是基于数组实现的

Deque，双端队列，可以对两端的元素做修改操作，且存在较高的效率

基于此，ArrayDeque在对于两端元素操作时，不会存在大量的元素移动

可以简单的理解，双端队列下的数组，首、尾操作方便，就好似一个 可循环数组

ArrayDeque 可以说是 ArrayList、LinkedList 的结合，达到了二者的均衡

ArrayList<integer> arrayList = new ArrayList<>();
long startTime = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 100 * 100 * 10; i++) {
    arrayList.add(0, i);
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("用时：" + (endTime - startTime) + " 毫秒");

LinkedList<integer> linkedList = new LinkedList<>();
long startTime2 = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 100 * 100 * 10; i++) {
    linkedList.add(0, i);
}
long endTime2 = System.currentTimeMillis();
System.out.println("用时：" + (endTime2 - startTime2) + " 毫秒");

ArrayDeque<integer> arrayDeque = new ArrayDeque<>();
long startTime1 = System.currentTimeMillis();
for (int i = 1; i < 100 * 100 * 100; i++) {
    arrayDeque.addFirst(i);
}
long endTime1 = System.currentTimeMillis();
System.out.println("用时：" + (endTime1 - startTime1) + " 毫秒");

上述代码，分别是 ArrayList、LinkedList、ArrayQueue 对于头部元素插入的示例

可以很清晰的看出，ArrayList 在头部元素的插入上，表现不佳，极为耗时

而 ArrayDeque，它在元素的访问、添加操作上，都存在着较高的效率，表现适中

基于双端队列实现的ArrayDeque，在逻辑理解上，就好像是一个 循环数组

ArrayDeque可以从头部、尾部直接操作元素，首尾形成了闭环

现在，姑且将 ArrayDeque 看作是循环数组，它的首、尾元素修改方便

在源码分析时，注意 ArrayDeque、ArrayList 二者的区别

直接开始对于 ArrayDeque 的源码的分析，至于其中的常用方法，请翻阅 API 手册

初始化

// elements：存储容器元素的数组
transient Object[] elements;

// 初始化，即默认存储数组的长度为 16
public ArrayDeque() {
    elements = new Object[16];
}

相对于 ArrayList 的初始化空数组，ArrayDeque 初始化的数组长度默认为 16

当然，ArrayDeque 中也是提供了有参构造，可以指定初始化时的默认数组长度

ArrayDeque(int numElements) {}

添加元素

public boolean add(E e) {
    addLast(e);
    return true;
}

这是 ArrayDeque 的元素添加，注意 addLast(e);，元素默认添加至尾部

public void addLast(E e) {
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
    final Object[] es = elements;
    es[tail] = e;
    if (head == (tail = inc(tail, es.length)))
        grow(1);
}

ArrayDeque 的源码较为复杂，LinkedList 的节点类不过如此【狗头】

这里先分析源码的执行，也画一张图，理解理解

transient int tail;：尾部的元素的索引 + 1

transient int head;：头部元素的索引

理解双端队列 ArrayDeque，必须理解 tail、head

结合上图，可以很清晰的认识到二者的定位

head：指向头部元素的索引位置

tail：指向下一个尾部元素的索引位置，即当前尾部元素的索引 + 1

在双端队列中，头部元素不一定是存放在头部，也可能在中间位置

但是，head、tail 的值，是遵循常规的数组索引位置，自左向右递增

不清楚的部分概念，可以反复参考上述图例

现在，再看向ArrayDeque的元素添加，结合之前的理解，进行分析

public void addLast(E e) {
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
    // 建立空数组，引用自 elements 数组
    final Object[] es = elements;
    // 将添加的元素放至存储数组的头部位置
    es[tail] = e;
    if (head == (tail = inc(tail, es.length)))
        grow(1);
}

static final int inc(int i, int modulus) {
    if (++i >= modulus) i = 0;
    return i;
}

private void grow(int needed) {
    // oldCapacity：存储当前数组的长度，即当前容量
    final int oldCapacity = elements.length;
    // 扩容的新数组
    int newCapacity;
    // 容量是否小于 64
    // 若小于，扩容 2 个长度；若大于则扩容至 1.5 倍
    int jump = (oldCapacity < 64) ? (oldCapacity + 2) : (oldCapacity >> 1);
    // MAX_ARRAY_SIZE：实际为 Integer.MAX_VALUE - 8;
    // jump < needed 为 false，传入的 needed 为 1，jump 最小为 2
    // 核心：扩容后的新数组 newCapacity 是否大于 MAX_ARRAY_SIZE
    if (jump < needed || (newCapacity = (oldCapacity + jump)) - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        // 扩容新数组超出 Integer.MAX_VALUE - 8
        // newCapacity 可以扩容的最大值 Integer.MAX_VALUE
        newCapacity = newCapacity(needed, jump);
    // es 数组拷贝，elements 拷贝，这一步已经完成了扩容
    final Object[] es = elements = Arrays.copyOf(elements, newCapacity);
    // 核心：head 是否大于 0，即头部元素是否存在于最前端
    if (tail < head || (tail == head && es[head] != null)) {
        int newSpace = newCapacity - oldCapacity;
        // 若头部元素并非在第一个位置，则整体向后移动
        System.arraycopy(es, head, es, head + newSpace, oldCapacity - head);
        for (int i = head, to = (head += newSpace); i < to; i++)
            es[i] = null;
    }
}

// 扩容新数组，数据溢出时使用
private int newCapacity(int needed, int jump) {
    // oldCapacity 获得 elements 长度，并创建 int 变量 minCapacity
    final int oldCapacity = elements.length, minCapacity;
    // 当前数组长度 + 1，大于 Integer.MAX_VALUE - 8
    if ((minCapacity = oldCapacity + needed) - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
        // 这个真的可以满足吗，异常可以执行吗
        if (minCapacity < 0)
            throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
        // 返回扩容的极限值 Integer.MAX_VALUE
        return Integer.MAX_VALUE;
    }
    if (needed > jump)
        return minCapacity;
    return (oldCapacity + jump - MAX_ARRAY_SIZE < 0)
        ? oldCapacity + jump
        : MAX_ARRAY_SIZE;
}

好了，到这里可以看出 ArrayDeque 的具体扩容操作了

并且，也理解了双端队列，或者说循环数组的概念

这里，总结关于 ArrayDeque 的要点，不再结合相应源码做分析

1. 索引 0 的元素，并非固定在最左侧，索引位置与实际位置不一致
2. 删除头部、尾部元素，不会造成数组元素的整体变化
3. 在 ArrayList 中，若删除头部元素，则所有元素前移一位，消耗极大

具体的双端队列，可以直接查看上述的图例，它的索引与位置的关系

ArrayDeque 不是根据索引位置获取数值，不存在 get()，注意与 ArrayList 的区别