Queue之ArrayDeque源码

Posted 2020-06-12

　前面讲了Stack是一种先进后出的数据结构：栈，那么对应的Queue是一种先进先出（First In First Out）的数据结构：队列。

     对比一下Stack，Queue是一种先进先出的容器，它有两个口，从一个口放入元素，从另一个口获取元素。如果把栈比作一个木桶，那么队列就是一个管道。

　　是不是很容易理解，因为队列有两个口，一个负责入队另一个负责出队，所以会有先进先出的效果。

     当然我们说ArrayDeque是一个双向队列，队列的两个口都可以入队和出队操作。再进一步说，其实ArrayDeque可以说成是一个双向循环队列，是不是和链表的分类很像，为什么这么说呢，我们下面会具体分析。

 

1.定义     

1 public class ArrayDeque<E> extends AbstractCollection<E>
2                            implements Deque<E>, Cloneable, Serializable

　　从ArrayDeque的定义可以看到，它继承AbstractCollection，实现了Deque，Cloneable，Serializable接口。不知道看到这里你会不会发现什么，Deque接口我们在LinkedList中见过，LinkedList也是实现Deque接口的。我们说过Deque是一个双端队列，它实现于Queue接口，什么是双端队列呢，就是在队列的同一端即可以入队又可以出队，所以Deque即可以作为队列又可以作为栈使用。但是今天这里是讲Queue队列，所以就只看单向队列的一些原理和实现。

 

     来看下Queue接口：

 1 public interface Queue<E> extends Collection<E> {
 2     // 增加一个元素到队尾，如果队列已满，则抛出一个IIIegaISlabEepeplian异常
 3     boolean add(E e);
 4     // 添加一个元素到队尾并返回true，如果队列已满，则返回false
 5     boolean offer(E e);
 6     // 移除并返回队列头部的元素，如果队列为空，则抛出一个NoSuchElementException异常
 7     E remove();
 8     // 移除并返问队列头部的元素，如果队列为空，则返回null
 9     E poll();
10     // 返回队列头部的元素，如果队列为空，则抛出一个NoSuchElementException异常
11     E element();
12     // 返问队列头部的元素，如果队列为空，则返回null
13     E peek();
14 }

　　看到Queue的定义，有没有发现它和Stack的方法是非常相似的。

     但是ArrayDeque并不是一个固定大小的队列，每次队列满了就会进行扩容，除非扩容至超过int的边界，才会抛出异常。所以这里的add和offer几乎是没有区别的。

 

2.底层存储

 

     当然从ArrayDeque的命名就可以看出他的底层是用数组实现的（而LinkedList则是用链表实现的队列），来主要看一下ArrayDeque。

1     // 底层用数组存储元素
2     private transient E[] elements;
3      // 队列的头部元素索引（即将pop出的一个）
4       private transient int head;
5      // 队列下一个要添加的元素索引
6       private transient int tail;
7      // 最小的初始化容量大小，需要为2的n次幂
8       private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;

　　这里需要注意的是MIN_INITIAL_CAPACITY，这个初始化容量必须为2的n次幂。为什么必须要是2的n次幂呢，还记得HashMap中我们的分析吗，HashMap也要求其底层数组的初始容量必须为2的n次幂，还记得当时是基于什么原因吗？不记得话，那就返回去看一下《 给jdk写注释系列之jdk1.6容器(4)-HashMap源码解析》。那么ArrayDeque这里又是基于什么考虑呢，我们下面再看。

     而tail不是最后一个元素的索引，是下一个要添加的元素索引，也就是最后一个元素+1。

 

3.构造方法

 1     /**
 2      * 默认构造方法，数组的初始容量为16
 3      */
 4     public ArrayDeque() {
 5         elements = (E[]) new Object[16];
 6     }
 7  
 8     /**
 9      * 使用一个指定的初始容量构造一个ArrayDeque
10      */
11     public ArrayDeque( int numElements) {
12         allocateElements(numElements);
13     }
14 
15     /**
16      * 构造一个指定Collection集合参数的ArrayDeque
17      */
18     public ArrayDeque(Collection<? extends E> c) {
19         allocateElements(c.size());
20         addAll(c);
21     }
22 
23     /**
24      * 分配合适容量大小的数组，确保初始容量是大于指定numElements的最小的2的n次幂
25      */
26     private void allocateElements(int numElements) {
27         int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;
28         // 找到大于指定容量的最小的2的n次幂
29         // Find the best power of two to hold elements.
30         // Tests "<=" because arrays aren‘t kept full.
31         // 如果指定的容量小于初始容量8，则执行一下if中的逻辑操作
32         if (numElements >= initialCapacity) {
33             initialCapacity = numElements;
34             initialCapacity |= (initialCapacity >>>  1);
35             initialCapacity |= (initialCapacity >>>  2);
36             initialCapacity |= (initialCapacity >>>  4);
37             initialCapacity |= (initialCapacity >>>  8);
38             initialCapacity |= (initialCapacity >>> 16);
39             initialCapacity++;
40 
41             if (initialCapacity < 0)   // Too many elements, must back off
42                 initialCapacity >>>= 1; // Good luck allocating 2 ^ 30 elements
43         }
44         elements = (E[]) new Object[initialCapacity];
45     }

　　看到这里，我相信很多人又看不懂了（包括我），但是我们可以来仔细分析一下，回想一下我们在HashMap中分析过的，2的n次幂和2的n次幂-1的二进制是什么样子的呢，再来看一下：

 

   2^n转换为二进制是什么样子呢：

2^1 = 10
2^2 = 100
2^3 = 1000
2^n = 1(n个0)

　　

　　再来看下2^n-1的二进制是什么样子的：

2^1 - 1 = 01
2^2 - 1 = 011
2^3 - 1 = 0111
2^n - 1 = 0(n个1)

　　

　　看下代码initialCapacity++是什么意思呢，就是说initialCapity+1之后才是2的n次幂，那么此时的initialCapacity是什么呢？就是上面的2^n - 1（initialCapacity + 1 = 2^n），也就是说我怎么做到使initialCapacity为2^n - 1呢，那就上面的4次">>>"和"|"操作了。

     ">>>"是无符号右移，意思就是将一个操作数转换为二进制后，将后n位移除，高位补0。举个例子：11的二进制1101，11 >>> 2就是：(1)将后两位01移除，(2)高位补0，最后得0011。

     "|"是按位或操作，意思是把两个操作数分别转换为二进制，如果两个操作数的位都有1则为1，全为0则为0，举个例子：两个数8和9的二进制分别为1000和1001，1000 | 1001 = 1001。

 

     理解了">>>"和"|"操作后，再来看下上面代码中的4个">>>"和"|"是什么意思，">>>"将一个数低位变为1，"|"后，最后整个数的二进制都变为1。

     举个例子：如果initialCapacity=9，9转换为二进制为：1001，那么经过第一轮>>>1后为：100，然后1001 | 100  = 1101；经过第二轮>>>2后变为：0011，然后1101 | 0011 = 1111，1111转换为10进制+1后等于16（2^4），到此经过这一系列的操作就完成获取大于指定容量最小的2的n次幂。如果给定的initialCapacity够大的话，最终将变为1111111111111111111111111111111（31位1），当然最后为了防止溢出（initialCapacity<0），将initialCapacity右移1位变成2的30次方，那么什么时候initialCapacity会小于0呢，那就是当initialCapacity作为int值<<1越界后。

 

     其实在HashMap中也有这么一个目的的操作，只不过其代码不是这么实现的，它是通过一个循环，每次循环只右移1位。来回忆一下：

1     // 确保容量为2的n次幂，是capacity为大于initialCapacity的最小的2的n次幂
2      int capacity = 1;
3      while (capacity < initialCapacity)
4          capacity <<= 1;

　　那么这两种方法有什么区别呢？HashMap中的这种写法更容量理解，而ArrayDeque中的效果更高（最多经过4次位移和或操作+1次加一操作）。

 

4.入队（添加元素到队尾）

 1     /**
 2      * 增加一个元素，如果队列已满，则抛出一个IIIegaISlabEepeplian异常
 3      */
 4     public boolean add(E e) {
 5         // 调用addLast方法，将元素添加到队尾
 6         addLast(e);
 7         return true;
 8     }
 9 
10      /**
11      * 添加一个元素
12      */
13     public boolean offer(E e) {
14         // 调用offerLast方法，将元素添加到队尾
15         return offerLast(e);
16     }
17 
18     /**
19      * 在队尾添加一个元素
20      */
21     public boolean offerLast(E e) {
22         // 调用addLast方法，将元素添加到队尾
23         addLast(e);
24         return true;
25     }
26 
27     /**
28      * 将元素添加到队尾
29      */
30     public void addLast(E e) {
31         // 如果元素为null，咋抛出空指针异常
32         if (e == null)
33             throw new NullPointerException();
34         // 将元素e放到数组的tail位置
35         elements[tail ] = e;
36         // 判断tail和head是否相等，如果相等则对数组进行扩容
37         if ( (tail = (tail + 1) & ( elements.length - 1)) == head)
38             // 进行两倍扩容
39             doubleCapacity();
40     }

　　这里，( (tail = (tail + 1) & ( elements.length - 1)) == head)这句代码是关键，为什么会这样写呢。正常的添加元素后应该是将tail+1对不对，但是队列的删除和添加是不在同一端的，什么意思呢，我们画个图看一下。

 

　　我们假设队列的初始容量是8，初始队列添加了4个元素A、B、C、D，分别在数组0、1、2、3的下标位置，如左图，此时的head对应数组下标0，tail对应数组下标4。当队列经过一系列的入队和出队后，就会变成右图的样子，此时的head对应数组下标3，tail对应数组下标7 。那么问题来了，如果这个时候再增加一个元素到数组下标7的位置，此时理论上tail+1=8，也就是已经越界，需要对数组进行扩容了，但是我们看下数组0、1、2的位置由于出队操作，这三个位置是空的，如果此时就进行扩容会造成空间的浪费。

     我们回想一下ArrayList为了减少空间浪费，它是怎么做的呢，是通过数组copy，每次删除元素都会将被删除元素索引后面位置的元素向前移动一位。但是这样做又造成了效率不高。

 

     怎么办呢，能不能换一种思路，我们可以把数组想象成为一个首尾相连的"环"，数组的第一个位置索引0的位置和数组的最后一个位置索引length-1的位置是挨在一起的（还记得双向链表吗？）。需要注意的是head不是数组的第一个位置索引0，tail也不是数组的最后一个位置索引length-1，head和tail实际上是一个指针，随着出队和入队操作不断的移动。如果tail移动到length-1之后，如果数组的第一个位置0没有元素，那么需要将tail指向0，依次向后指向。此时当tail如果等于head的时候会有两种情况，一个是空队列，另一个就是队列将要满了（只有tail处还有空位置），只要判断队列将要满了的时候，就进行数组扩容。

     再来回忆下2的n次幂和2的n次幂-1转换成二进制后的样子：

 

     2^n转换为二进制是什么样子呢：

2^1 = 10
2^2 = 100
2^3 = 1000
2^n = 1(n个0)

　　再来看下2^n-1的二进制是什么样子的：

2^1 - 1 = 01
2^2 - 1 = 011
2^3 - 1 = 0111
2^n - 1 = 0(n个1)

　　

　　会发现什么，如果(2^n) & (2^n-1) = 0对不对，举个例子，2^3=8和2^3 - 1=7，8和7的二进制分别为1000和0111，1000 | 0111 = 0000，也就是0嘛。

     现在再来看这段代码( (tail = (tail + 1) & ( elements.length - 1)) == head)是不是开始理解了，(tail + 1) & ( elements.length - 1)，当tail等于length-1的时候也就是(2^n) & (2^n-1)，此时将结果0赋值给tail，也就是这个时候tail指向了0，印证了前面我们的说法。那么如果tail不是数组的最后一个位置的索引的时候呢，比如tail=5，那么5 & (elements.length - 1)实际上就等于5对不对，因为tail永远不会大于length的，所以当tail不等于length-1的时候，(tail + 1) & ( elements.length - 1)的结果就是tail+1（我们在HashMap中分析过h & (2^n - 1)就相当于h % 2^n）。

 

     所以从这里看，我们就可以将ArrayDeque看做是一个双向循环队列，之所以这里用"看做"这个词，是因为这里只是代码逻辑上"环"，而非存储结构上的"环"。

 

     至此，我们终于明白( (tail = (tail + 1) & ( elements.length - 1)) == head) 这句代码的意义，我们再来总结下这句代码的效果：(1)将tail+1操作，(2)如果tail+1已经越界，则将tail赋值为0，(3)当tail和head指向同一个索引时，则说明需要进行扩容。既然是需要扩容，那么我们就来看看具体是怎么扩容的吧。

 1     /**
 2      * 数组将要满了的时候(tail==head)将，数组进行2倍扩容
 3      */
 4     private void doubleCapacity() {
 5         // 验证head和tail是否相等
 6         assert head == tail;
 7         int p = head ;
 8         // 记录数组的长度
 9         int n = elements .length;
10         // 计算head后面的元素个数，这里没有采用jdk中自带的英文注释right，是因为所谓队列的上下左右，只是我们看的方位不同而已，如果上面画的图，这里就应该是left而非right
11         int r = n - p; // number of elements to the right of p
12         // 将数组长度扩大2倍
13         int newCapacity = n << 1;
14         // 如果此时长度小于0，则抛出IllegalStateException异常，什么时候newCapacity会小于0呢，前面我们说过了int值<<1越界
15         if (newCapacity < 0)
16             throw new IllegalStateException( "Sorry, deque too big" );
17         // 创建一个长度是原数组大小2倍的新数组
18         Object[] a = new Object[newCapacity];
19         // 将原数组head后的元素都拷贝值新数组
20         System. arraycopy(elements, p, a, 0, r);
21         // 将原数组head前的元素都拷贝到新数组
22         System. arraycopy(elements, 0, a, r, p);
23         // 将新数组赋值给elements
24         elements = (E[])a;
25         // 重置head为数组的第一个位置索引0
26         head = 0;
27         // 重置tail为数组的最后一个位置索引+1（(length - 1) + 1）
28         tail = n;
29     }

　　这里需要清除，为什么要进行两次数组copy，当然是因为数组被head分成了两段。。。后面有元素，前面也有元素。。。

 

5.出队（移除并返回队头元素）

 1     /**
 2      * 移除并返回队列头部的元素，如果队列为空，则抛出一个NoSuchElementException异常
 3      */
 4     public E remove() {
 5         // 调用removeFirst方法，移除队头的元素
 6         return removeFirst();
 7     }
 8 
 9     /**
10      * @throws NoSuchElementException {@inheritDoc}
11      */
12     public E removeFirst() {
13         // 调用pollFirst方法，移除并返回队头的元素
14         E x = pollFirst();
15         // 如果队列为空，则抛出NoSuchElementException异常
16         if (x == null)
17             throw new NoSuchElementException();
18         return x;
19     }
20  
21     /**
22      * 移除并返问队列头部的元素，如果队列为空，则返回null
23      */
24     public E poll() {
25         // 调用pollFirst方法，移除并返回队头的元素
26         return pollFirst();
27     }
28 
29     public E pollFirst() {
30         int h = head ;
31         // 取出数组队头位置的元素
32         E result = elements[h]; // Element is null if deque empty
33         // 如果数组队头位置没有元素，则返回null值
34         if (result == null)
35             return null;
36         // 将数组队头位置置空，也就是删除元素
37         elements[h] = null;     // Must null out slot
38         // 将head指针往前移动一个位置
39         head = (h + 1) & (elements .length - 1);
40         // 将队头元素返回
41         return result;
42     }

　　pollFirst中的 (h + 1) & (elements . length - 1)相比已经不用再具体解释了吧，不懂的看看上面的解释吧，当然这是为了处理临界的情况。

 

6.返回队头元素（不删除）

 1     /**
 2      *  返回队列头部的元素，如果队列为空，则抛出一个NoSuchElementException异常
 3      */
 4     public E element() {
 5         // 调用getFirst方法，获取队头的元素
 6         return getFirst();
 7     }
 8 
 9     /**
10      * @throws NoSuchElementException {@inheritDoc}
11      */
12     public E getFirst() {
13         // 取得数组head位置的元素
14         E x = elements[head ];
15         // 如果数组head位置的元素为null，则抛出异常
16         if (x == null)
17             throw new NoSuchElementException();
18         return x;
19     }
20 
21     /**
22      * 返回队列头部的元素，如果队列为空，则返回null
23      */
24     public E peek() {
25         // 调用peekFirst方法，获取队头的元素
26         return peekFirst();
27     }
28 
29     public E peekFirst() {
30         // 取得数组head位置的元素并返回
31         return elements [head]; // elements[head] is null if deque empty
32     }

　　

　　到此，ArrayDeque作为Queue的操作方法，我们就分析完了，主要的难点则在于要把ArrayDeque看成一个双向循环队列，head和tail指针是如何移动的，又是如果做到"环"的，如果还不是很明白一定要对照图解多看几遍，并动手做一下位移和或操作。

     当然ArrayDeque作为一个双向队列还有一些Deque特有的方法，以及作为Stack的一些方法，这里我们就不多看了，有兴趣的话，可以自己尝试着分析下，由于底层是数组，其他一些操作理解起来还是很简单的，不太懂的可以去回忆下《 给jdk写注释系列之jdk1.6容器(1)-ArrayList源码解析》。

     当然我们说的ArrayDeque和LinkedList都是简单队列（既非线程安全，又非阻塞），在java的并发包java.util.concurrent包中还有两种队列，并发队列ConcurrentLinkedQueue和阻塞队列BlockingQueue。这两种我们在今后分析java并发包的时候会仔细进行分析。

 

 

Queue之ArrayDeque 完！