Java 数据结构及算法实战系列 014：Java队列08——数组实现的双端队列ArrayDeque
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java 数据结构及算法实战系列 014：Java队列08——数组实现的双端队列ArrayDeque相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
ArrayDeque是基于数组实现的无界双端队列。ArrayDeque中的数组没有容量限制，它们能根据需要增长以支持使用。需要注意的是ArrayDeque不是线程安全的，因此在没有外部同步的情况下，它们不支持多线程并发访问。
ArrayDeque用作栈时可能比Stack更快，用作队列时可能比LinkedList更快。
ArrayDeque禁止插入空元素。
ArrayDeque及其迭代器实现了Collection和Iterator接口的所有可选方法。
ArrayDeque是Java Collections Framework的一个成员。
1. ArrayDeque的声明
ArrayDeque的接口和继承关系如下
public class ArrayDeque<E> extends AbstractCollection<E>
implements Deque<E>, Cloneable, Serializable
…
完整的接口继承关系如下图所示。
编辑
从上述代码可以看出，ArrayDeque既实现了java.util.Deque<E> 、java.lang.Cloneable、java.io.Serializable接口，又继承了java.util.AbstractCollection<E>。
2. ArrayDeque的成员变量和构造函数
以下是ArrayDeque的构造函数和成员变量。
// 元素数组
transient Object[] elements;
// 队列头索引
transient int head;
// 队列尾索引
transient int tail;
// 数组最大容量
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
public ArrayDeque()
elements = new Object[16 + 1];
public ArrayDeque(int numElements)
elements =
new Object[(numElements < 1) ? 1 :
(numElements == Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE :
numElements + 1];
public ArrayDeque(Collection<? extends E> c)
this(c.size());
copyElements(c);
从上述代码可以看出，构造函数有3种。构造函数中的参数含义如下
l numElements用于设置队列中内部数组的元素总数。如果没有指定，则会使用默认元素总数16。需要注意的是，实际数组的大小，是numElements+1。
l c用于设置最初包含给定集合的元素，按集合迭代器的遍历顺序添加
类成员elements是一个数组，用于存储队列中的元素。head和tail分别表示队头索引和队尾索引。
思考：为什么实际数组的实际数组的大小，是numElements+1？
3. ArrayDeque的核心方法
以下对ArrayDeque常用核心方法的实现原理进行解释。
3.1. addLast(e)
执行addLast(e)方法后有两种结果
l 队列未达到容量时，直接插入，没有返回值
l 队列达到容量时，先扩容，再插入，没有返回值
ArrayDeque的addLast(e)方法源码如下：
public void addLast(E e)
if (e == null) // 判空
throw new NullPointerException();
final Object[] es = elements;
es[tail] = e;
if (head == (tail = inc(tail, es.length)))
grow(1); // 扩容
从上面代码可以看出，addLast(e)方法会先进行判空处理，而后再将元素插入。如果插入前判断容量不够，则会执行grow()方法进行扩容。
。
grow()方法源码如下：
private void grow(int needed)
// overflow-conscious code
final int oldCapacity = elements.length;
int newCapacity;
// Double capacity if small; else grow by 50%
int jump = (oldCapacity < 64) ? (oldCapacity + 2) : (oldCapacity >> 1);
if (jump < needed
|| (newCapacity = (oldCapacity + jump)) - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = newCapacity(needed, jump);
final Object[] es = elements = Arrays.copyOf(elements, newCapacity);
// Exceptionally, here tail == head needs to be disambiguated
if (tail < head || (tail == head && es[head] != null))
// wrap around; slide first leg forward to end of array
int newSpace = newCapacity - oldCapacity;
System.arraycopy(es, head,
es, head + newSpace,
oldCapacity - head);
for (int i = head, to = (head += newSpace); i < to; i++)
es[i] = null;
/** Capacity calculation for edge conditions, especially overflow. */
private int newCapacity(int needed, int jump)
final int oldCapacity = elements.length, minCapacity;
if ((minCapacity = oldCapacity + needed) - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
if (minCapacity < 0)
throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
return Integer.MAX_VALUE;
if (needed > jump)
return minCapacity;
return (oldCapacity + jump - MAX_ARRAY_SIZE < 0)
? oldCapacity + jump
: MAX_ARRAY_SIZE;
3.2. offerLast(e)
执行offerLast(e)方法后有两种结果
l 队列未达到容量时，返回 true
l 队列达到容量时，先扩容，再返回 true
ArrayDeque的offerLast(e)方法源码如下：
public boolean offerLast(E e)
addLast(e);
return true;
从上面代码可以看出，执行offerLast(e)方法直接调用的是addLast(e)
。
3.3. addLast(e)
执行addFirst(e)方法后有两种结果
l 队列未达到容量时，直接插入，没有返回值
l 队列达到容量时，先扩容，再插入，没有返回值
ArrayDeque的addFirst(e)方法源码如下：
public void addFirst(E e)
if (e == null) // 判空
throw new NullPointerException();
final Object[] es = elements;
es[head = dec(head, es.length)] = e;
if (head == tail)
grow(1); // 扩容
从上面代码可以看出，addFirst(e)方法会先进行判空处理，而后再将元素插入。如果插入前判断容量不够，则会执行grow()方法进行扩容。
。
3.4. pollFirst()
执行pollFirst()方法后有两种结果：
l 队列不为空时，返回队首值并移除
l 队列为空时，返回 null
ArrayDeque的pollFirst()方法源码如下：
public E pollFirst()
final Object[] es;
final int h;
E e = elementAt(es = elements, h = head);
if (e != null)
es[h] = null;
head = inc(h, es.length);
return e;
从上面代码可以看出，执行pollFirst()方法时，分为以下几个步骤：
l 先取队列的队首元素。
l 如果队首元素不存在，直接返回null。
l 如果队首元素存在，则返回该元素同时移除元素。
3.5. removeFirst()
执行removeFirst()方法后有两种结果：
l 队列不为空时，返回队首值并移除
l 队列为空时，抛出异常
ArrayDeque的removeFirst()方法源码如下：
public E removeFirst()
E e = pollFirst();
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
return e;
从上面代码可以看出，removeFirst()方法直接调用了pollFirst()方法。如果pollFirst()方法返回结果为null，则抛出NoSuchElementException异常。
pollFirst()方法此处不再赘述。
3.6. peekFirst()
执行peekFirst()方法后有两种结果：
l 队列不为空时，返回队首值但不移除
l 队列为空时，返回null
peekFirst()方法源码如下：
public E peekFirst()
return elementAt(elements, head);
static final <E> E elementAt(Object[] es, int i)
return (E) es[i];
从上面代码可以看出，peekFirst()方法比较简单，直接就是获取了数组里面的索引为head的元素。
3.7. getFirst()
执行getFirst()方法后有两种结果：
l 队列不为空时，返回队首值但不移除
l 队列为空时，抛出异常
getFirst()方法源码如下：
public E getFirst()
E e = elementAt(elements, head);
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
return e;
从上面代码可以看出，执行getFirst()方法时，先是获取了数组里面的索引为head的元素。如果结果是null，则抛出NoSuchElementException异常。
4. ArrayDeque的单元测试
ArrayDeque的单元测试如下：
package com.waylau.java.demo.datastructure;
import static org.junit.jupiter.api.Assertions.assertEquals;
import static org.junit.jupiter.api.Assertions.assertNull;
import static org.junit.jupiter.api.Assertions.assertThrows;
import static org.junit.jupiter.api.Assertions.assertTrue;
import java.util.ArrayDeque;
import java.util.Deque;
import java.util.NoSuchElementException;
import org.junit.jupiter.api.Test;
/**
* ArrayDeque Tests
*
* @since 1.0.0 2020年5月3日
* @author <a href="https://waylau.com">Way Lau</a>
*/
class ArrayDequeTests
@Test
void testAddLast()
// 初始化队列
Deque<String> queue = new ArrayDeque<String>(3);
// 测试队列未满时，直接插入没有返回值；
queue.addLast("Java");
// 测试队列满则扩容
queue.addLast("C");
queue.addLast("Python");
queue.addLast("C++"); // 扩容
@Test
void testOfferLast()
// 初始化队列
Deque<String> queue = new ArrayDeque<String>(3);
// 测试队列未满时，返回 true
boolean resultNotFull = queue.offerLast("Java");
assertTrue(resultNotFull);
// 测试队列达到容量时，会自动扩容
queue.offerLast("C");
queue.offerLast("Python");
boolean resultFull = queue.offerLast("C++"); // 扩容
assertTrue(resultFull);
@Test
void testAddFirst()
// 初始化队列
Deque<String> queue = new ArrayDeque<String>(3);
// 测试队列未满时，直接插入没有返回值；
queue.addFirst("Java");
// 测试队列满则扩容
queue.addFirst("C");
queue.addFirst("Python");
queue.addFirst("C++"); // 扩容
@Test
void testPollFirst() throws InterruptedException
// 初始化队列
Deque<String> queue = new ArrayDeque<String>(3);
// 测试队列为空时，返回 null
String resultEmpty = queue.pollFirst();
assertNull(resultEmpty);
// 测试队列不为空时，返回队首值并移除
queue.addLast("Java");
queue.addLast("C");
queue.addLast("Python");
String resultNotEmpty = queue.pollFirst();
assertEquals("Java", resultNotEmpty);
@Test
void testRemoveFirst() throws InterruptedException
// 初始化队列
Deque<String> queue = new ArrayDeque<String>(3);
// 测试队列为空时，抛出异常
Throwable excpetion = assertThrows(NoSuchElementException.class, () ->
queue.removeFirst();// 抛异常
);
assertEquals(null, excpetion.getMessage());
// 测试队列不为空时，返回队首值并移除
queue.addLast("Java");
queue.addLast("C");
queue.addLast("Python");
String resultNotEmpty = queue.removeFirst();
assertEquals("Java", resultNotEmpty);
@Test
void testPeekFirst() throws InterruptedException
// 初始化队列
Deque<String> queue = new ArrayDeque<String>(3);
// 测试队列不为空时，返回队首值并但不移除
queue.add("Java");
queue.add("C");
queue.add("Python");
String resultNotEmpty = queue.peekFirst();
assertEquals("Java", resultNotEmpty);
resultNotEmpty = queue.peekFirst();
assertEquals("Java", resultNotEmpty);
resultNotEmpty = queue.peekFirst();
assertEquals("Java", resultNotEmpty);
// 测试队列为空时，返回null
queue.clear();
String resultEmpty = queue.peek();
assertNull(resultEmpty);
@Test
void testGetFirst() throws InterruptedException
// 初始化队列
Deque<String> queue = new ArrayDeque<String>(3);
// 测试队列不为空时，返回队首值并但不移除
queue.add("Java");
queue.add("C");
queue.add("Python");
String resultNotEmpty = queue.getFirst();
assertEquals("Java", resultNotEmpty);
resultNotEmpty = queue.getFirst();
assertEquals("Java", resultNotEmpty);
resultNotEmpty = queue.getFirst();
assertEquals("Java", resultNotEmpty);
// 测试队列为空时，抛出异常
queue.clear();
Throwable excpetion = assertThrows(NoSuchElementException.class, () ->
queue.getFirst();// 抛异常
);
assertEquals(null, excpetion.getMessage());
5. ArrayDeque的应用案例：工作窃取
双端队列的一个经典使用场景就是工作窃取。ForkJoinPool线程池就利用了双端队列支持工作窃取。
线程池中每个线程都有一个互不影响的任务队列（双端队列），线程每次都从自己的任务队列的队头中取出一个任务来运行；如果某个线程对应的队列已空并且处于空闲状态，而其他线程的队列中还有任务需要处理但是该线程处于工作状态，那么空闲的线程可以从其他线程的队列的队尾取一个任务来帮忙运行 —— 感觉就像是空闲的线程去偷人家的任务来运行一样，所以叫 “工作窃取”。这是保证LB的一个重要思路。
6. 参考引用
本系列归档至《Java 数据结构及算法实战》：GitHub - waylau/java-data-structures-and-algorithms-in-action: Java Data Structures and Algorithms In Action. Java数据结构和算法实战
《数据结构和算法基础（Java 语言实现）》（柳伟卫著，北京大学出版社出版）：《数据结构和算法基础（Java语言实现）》(柳伟卫)【摘要 书评 试读】- 京东图书
以上是关于Java 数据结构及算法实战系列 014：Java队列08——数组实现的双端队列ArrayDeque的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
Java 数据结构及算法实战系列 014：Java队列08——数组实现的双端队列ArrayDeque