ArrayDeque双端队列 使用&实现原理分析

Posted 2020-12-24 xiaxveliang

ArrayDeque双端队列 使用&实现原理分析

学习Okhttp实现源码时，发现其任务分发时用到了ArrayDeque。因此了解一下ArrayDeque的使用方式和实现原理。

一、Deque

deque（double-ended queue）双端队列，是一种具有队列和栈的性质的数据结构。
双端队列中的元素可以从两端弹出，其限定插入和删除操作在表的两端进行。假设两端分别为端点A和端点B，在实际应用中：

• 可以有输出受限的双端队列（即端点A允许插入和删除，端点B只允许插入的双端队列）；
• 可以有输入受限的双端队列（即端点A允许插入和删除，端点B只允许删除的双端队列）；
• 如果限定双端队列从某个端点插入的元素只能从该端点删除，则该双端队列就蜕变为两个栈底相邻的栈；

deque（double-ended queue）也是一种队列，了解deque时首先需要回忆一下queue的使用和实现原理。
对于Queue（先进先出）的详细使用方式和实现原理，可参考文章：
BlockingQueue使用方式 及 源码阅读
https://blog.csdn.net/xiaxl/article/details/80774479

Deque实现了以下功能方法，供开发者使用：

// 源码来自：android-29/java/util/Deque
public interface Deque<E> extends java.util.Queue<E> {
/**
 * 添加元素
 */
 // 在队列前边 添加元素，返回是否添加成功
boolean offerFirst( E e);
// 在队列后边 添加元素，返回是否添加成功
boolean offerLast( E e);

// 在队列前边 添加元素
void addFirst(E e);
// 在队列后边添加元素
void addLast( E e);

/**
 * 删除元素
 */
 // 删除第一个元素，返回删除元素的值；如果元素为null，将返回null；
E pollFirst();
// 删除最后一个元素，返回删除元素的值；如果为null，将返回null；
E pollLast();

// 删除第一个元素，返回删除元素的值；如果元素为null，将抛出异常；
E removeFirst();
// 删除最后一个元素，返回删除元素的值；如果为null，将抛出异常；
E removeLast();

// 删除第一次出现的指定元素
boolean removeFirstOccurrence( java.lang.Object o);
// 删除最后一次出现的指定元素
boolean removeLastOccurrence( java.lang.Object o);

/**
 * 取数据
 */
// 获取第一个元素，没有返回null；
E peekFirst();
// 获取最后一个元素，没有返回null；
E peekLast();

// 获取第一个元素,如果没有则抛出异常;
E getFirst();
// 获取最后一个元素，如果没有则抛出异常；
E getLast();


/**
 * 队列方法------------------------------------------
 */
// 向队列中添加一个元素。若添加成功则返回true；若因为容量限制添加失败则返回false是。
boolean offer(E e);
// 删除队列头的元素，如果队列为空，则返回null；
E poll();
// 返回队列头的元素，如果队列为空，则返回null；
E peek();

// 向队列中添加一个元素。若添加成功则返回true；若因为容量限制添加失败，则抛出IllegalStateException异常。
boolean add(E e);
// 删除队列头的元素，如果队列为空，则抛出异常；
E remove();
// 返回队列头的元素，如果队列为空，将抛异常；
E element();

/**
 * 堆栈方法------------------------------------------
 */
// 栈顶添加一个元素
void push( E e);
// 移除栈顶元素,如果栈顶没有元素将抛出异常
E pop();
}

二、ArrayDeque 源码学习

2.1、变量说明

// 源码来自：android-29/java/util/ArrayDeque

// 用数组存放队列元素；
transient Object[] elements; 
// 头部index
transient int head;
// 下一个要添加到尾步的index (除tail=0时，当前的尾部为tail-1)；
transient int tail;

head 与 tail 对应的index位置示例如下图所示：

• addFirst 方法：在队列前面 添加元素；
  代码实现中：从数组的末尾向前添加数据，如上图添加顺序为 E1、E2、...；
• addLast方法：在队列后面 添加元素；
  代码实现中：在数组的前边向后添加数据，如上图添加顺序为 Ea、Eb、...；
• head 为当前头部的index；
• tail 为下一个要添加的尾部的index；

2.2、构造方法

// 源码来自：android-29/java/util/ArrayDeque

// 构造方法：默认数组长度为8
public ArrayDeque() {
    // 创建一个长度为16的数组
    elements = new Object[16];
}

// 构造方法：根据自定义长度 分配数组空间
public ArrayDeque(int numElements) {
    // 根据输入长度 分配数组空间
    allocateElements(numElements);
}
// 找到大于需要长度的最小的2的幂整数
private void allocateElements(int numElements) {
	// MIN_INITIAL_CAPACITY为8
    int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;
	// 假设用户输入的为9
    if (numElements >= initialCapacity) {
		// initialCapacity = 9; 
        initialCapacity = numElements;
		// initialCapacity = 9 | ( 9 >>> 1)
		// initialCapacity = ( 1001 ) | ( 0100 ) = 1101 = 13;
        initialCapacity |= (initialCapacity >>>  1);
		// initialCapacity = 13 | ( 13 >>> 2)
		// initialCapacity = ( 1101 ) | ( 0011 ) = 1111 = 15;
        initialCapacity |= (initialCapacity >>>  2);
		// initialCapacity = 15 | ( 15 >>> 4)
		// initialCapacity = ( 1111 ) | ( 0000 ) = 1111 = 15;
        initialCapacity |= (initialCapacity >>>  4);
		// initialCapacity = 15 | ( 15 >>> 8)
		// initialCapacity = ( 1111 ) | ( 0000 ) = 1111 = 15;
        initialCapacity |= (initialCapacity >>>  8);
        initialCapacity |= (initialCapacity >>> 16);
		// 15+1 = 16;
        initialCapacity++;

        if (initialCapacity < 0)    // Too many elements, must back off
            initialCapacity >>>= 1; // Good luck allocating 2^30 elements
    }
	// 创建数组（数组的长度为：大于需要长度的最小的2的幂整数）
    elements = new Object[initialCapacity];
}

以上两个构造方法实现中：

• 第一个构造方法，创建一个默认长度为8的数组；
• 第二个构造方法，如代码中注释举例，其会通过allocateElements(numElements)将数组的长度定义为2的倍数（找到大于需要长度的最小的2的幂整数）；
• allocateElements(numElements)方法：可以将一个任意的初始值转化为2^n的值。
  如果本身传进来的值就是2^n 的值，那么经过转化会变成2^(n+1)；
  如果传入的值大于等于2^30，那么经过转化会变成负值，即< 0，此时会把初始值设置为2^30， 即最大的容量只有2^30；

2.3、队列首部添加元素

offerFirst(E e)、addFirst(E e) 源码实现

// 源码来自：android-29/java/util/ArrayDeque

//  在队列前边 添加元素，返回是否添加成功
public boolean offerFirst(E e) {
    addFirst(e);
    return true;
}

// 在队列前边 添加元素
public void addFirst(E e) {
	// 存入空数据时，抛出异常NullPointerException
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
	// 这样写 当head=0时，添加到的位置为elements.length - 1
	// 从数组的末尾 向前 依次添加数据
    elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
	// 空间不足
    if (head == tail)
        doubleCapacity(); // 扩容
}

offerFirst(E e)、addFirst(E e) 在数组前面添加元素：源码实现中，从数组的末尾向前依次添加数据元素；

2.4、队列首部删除元素

pollFirst()、removeFirst()源码实现

// 源码来自：android-29/java/util/ArrayDeque

// 删除第一个元素，返回删除元素的值；如果元素为null，将抛出异常；
public E removeFirst() {
    E x = pollFirst();
	// 若为空，则抛出异常；
    if (x == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return x;
}
// 删除第一个元素，返回删除元素的值；如果元素为null，将返回null；
public E pollFirst() {
	// 数组
    final Object[] elements = this.elements;
	// 头部index
    final int h = head;
	// 头部元素
    E result = (E) elements[h];
    // 如果头部元素为null，则返回null
    if (result != null) {
		// 数据元素出队列
        elements[h] = null; // Must null out slot
		// 指向下一个元素
        head = (h + 1) & (elements.length - 1);
    }
    return result;
}

执行pollFirst()、removeFirst()方法，进行数据出队列时，其数据的删除示意图如下图所示：

2.5、队列尾部添加元素

offerLast(E e)、addLast(E e) 源码实现

// 源码来自：android-29/java/util/ArrayDeque

// 在数组后添加元素，返回是否添加成功
public boolean offerLast(E e) {
    addLast(e);
    return true;
}
// 在数组后面添加元素
public void addLast(E e) {
	// 存入空数据时，抛出异常NullPointerException
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
	// 存入数据
    elements[tail] = e;
	// (tail + 1) == head 空间已满
    if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
		// 扩容
        doubleCapacity();
}

offerLast(E e)、addLast(E e) 在数组后添加元素: 源码实现中，从数组的前端向后依次添加数据元素；

2.6、队列尾部移除元素

pollLast()、removeLast()源码实现

// 源码来自：android-29/java/util/ArrayDeque

// 删除最后一个元素，返回删除元素的值；如果为null，将抛出异常；
public E removeLast() {
    E x = pollLast();
    if (x == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return x;
}
// 删除最后一个元素，返回删除元素的值；如果为null，返回null；
public E pollLast() {
	// 数组元素
    final Object[] elements = this.elements;
	// tail-1
    final int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);
    // 获取当前元素
    E result = (E) elements[t];
    if (result != null) {
		// 当前元素置空
        elements[t] = null;
		// 将tail-1 赋值给 tail
        tail = t;
    }
    return result;
}

执行pollLast()、removeLast()方法，进行数据出队列时，其数据的删除示意图如下图所示：

2.7、扩容 doubleCapacity()

向数组中添加元素时，若数组容量不足，会调用doubleCapacity()方法，扩容为当前容量的两倍：

// 源码来自：android-29/java/util/ArrayDeque

// 空间不足：扩容
private void doubleCapacity() {
    assert head == tail;
	// 头部 index
    int p = head;
	// 数组长度
    int n = elements.length;
	// 
    int r = n - p;
	// 容量扩展为当前的2倍
    int newCapacity = n << 1;
	// 新的容量超过2^30，抛出异常
    if (newCapacity < 0)
        throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
	// 创建一个新的数组
    Object[] a = new Object[newCapacity];
	// 拷贝原数组从 head位置到结束的数据  
    System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);
	// 拷贝原数组从 开始到head的数据  
    System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);
	// elements置空，保证其中元素可被垃圾回收
    Arrays.fill(elements, null);
	// elements被重新赋值
    elements = a;
	// header 和tail重新赋值
    head = 0;
    tail = n;
}

扩容后的数组为原始数组空间的两倍：

三、ArrayDeque 队列应用

3.1 入队列

// 向队列中添加一个元素。若添加成功则返回true；若因为容量限制添加失败则返回false是。
boolean offer(E e);

ArrayDeque入队列时：offer会调用offerLast实现入队列

3.2 出队列

// 删除队列头的元素，如果队列为空，则返回null；
E poll();

ArrayDeque出队列时：poll会调用pollFirst实现出队列

四、ArrayDeque 堆栈应用

4.1 入堆栈

// 栈顶添加一个元素
void push( E e);

ArrayDeque入堆栈时：push会调用offerLast实现入堆栈

4.2 出堆栈

// 移除栈顶元素,如果栈顶没有元素将抛出异常
E pop();

ArrayDeque出堆栈时：poll会调用pollFirst实现出堆栈

参考

百度百科deque
https://baike.baidu.com/item/deque/849385?fr=aladdin

========== THE END ==========