【Java入门提高篇】Day32 Java容器类详解（十四）ArrayDeque详解

2021-08-05 02:06:17

　　今天来介绍一个不太常见也不太常用的类——ArrayDeque，这是一个很不错的容器类，如果对它还不了解的话，那么就好好看看这篇文章吧。

　　看完本篇，你将会了解到：

　　1、ArrayDeque是什么？

　　2、ArrayDeque如何使用？

　　3、ArrayDeque的内部结构是怎样的？

　　4、ArrayDeque的各个方法是如何实现的？

　　5、ArrayDeque是如何扩容的？

　　6、ArrayDeque的容量有什么限制？

　　7、ArrayDeque和LinkedList相比有什么优势？

　　8、ArrayDeque的应用场景是什么？

一、ArrayDeque简介

　　ArrayDeque是JDK容器中的一个双端队列实现，内部使用数组进行元素存储，不允许存储null值，可以高效的进行元素查找和尾部插入取出，是用作队列、双端队列、栈的绝佳选择，性能比LinkedList还要好。听到这里，不熟悉ArrayDeque的你是不是有点尴尬？JDK中竟然还有这么好的一个容器类？

　　别慌，现在了解还来得及，趁响指还没有弹下去，快上车吧，没时间解释了。

　　来看一个ArrayDeque的使用小栗子：

【Java入门提高篇】Day32 Java容器类详解（十四）ArrayDeque详解

public class DequeTest {
    public static void main(String[] args){
        // 初始化容量为4
        ArrayDeque<String> arrayDeque = new ArrayDeque<>(4);
        //添加元素
        arrayDeque.add("A");
        arrayDeque.add("B");
        arrayDeque.add("C");
        arrayDeque.add("D");
        arrayDeque.add("E");
        arrayDeque.add("F");
        arrayDeque.add("G");
        arrayDeque.add("H");
        arrayDeque.add("I");
        System.out.println(arrayDeque);

        // 获取元素
        String a = arrayDeque.getFirst();
        String a1 = arrayDeque.pop();
        String b = arrayDeque.element();
        String b1 = arrayDeque.removeFirst();
        String c = arrayDeque.peek();
        String c1 = arrayDeque.poll();
        String d = arrayDeque.pollFirst();
        String i = arrayDeque.pollLast();
        String e = arrayDeque.peekFirst();
        String h = arrayDeque.peekLast();
        String h1 = arrayDeque.removeLast();
        System.out.printf("a = %s, a1 = %s, b = %s, b1 = %s, c = %s, c1 = %s, d = %s, i = %s, e = %s, h = %s, h1 = %s", a,a1,b,b1,c,c1,d,i,e,h,h1);
        System.out.println();
        
        // 添加元素
        arrayDeque.push(e);
        arrayDeque.add(h);
        arrayDeque.offer(d);
        arrayDeque.offerFirst(i);
        arrayDeque.offerLast(c);
        arrayDeque.offerLast(h);
        arrayDeque.offerLast(c);
        arrayDeque.offerLast(h);
        arrayDeque.offerLast(i);
        arrayDeque.offerLast(c);
        System.out.println(arrayDeque);

        // 移除第一次出现的C
        arrayDeque.removeFirstOccurrence(c);
        System.out.println(arrayDeque);

        // 移除最后一次出现的C
        arrayDeque.removeLastOccurrence(c);
        System.out.println(arrayDeque);
        
    }
}

　　输出如下：

[A, B, C, D, E, F, G, H, I]
a = A, a1 = A, b = B, b1 = B, c = C, c1 = C, d = D, i = I, e = E, h = H, h1 = H
[I, E, E, F, G, H, D, C, H, C, H, I, C]
[I, E, E, F, G, H, D, H, C, H, I, C]
[I, E, E, F, G, H, D, H, C, H, I]

　　可以看到，从ArrayDeque中取出元素的姿势可谓是五花八门，不过别慌，稍后会对这些方法进行一一讲解，现在只需要知道，get、peek、element方法都是获取元素，但是不会将它移除，而pop、poll、remove都会将元素移除并返回，add和push、offer都是插入元素，它们的不同点在于插入元素的位置以及插入失败后的结果。

二、ArrayDeque的内部结构

　　ArrayDeque的整体继承结构如下：　　

　　ArrayDeque是继承自Deque接口，Deque继承自Queue接口，Queue是队列，而Deque是双端队列，也就是可以从前或者从后插入或者取出元素，也就是比队列存取更加方便一点，单向队列只能从一头插入，从另一头取出。

　　再来看看ArrayDeque的内部结构，其实从名字就可以看出来，ArrayDeque自然是基于Array的双端队列，内部结构自然是数组：

   //存储元素的数组
   transient Object[] elements; // 非private访问限制，以便内部类访问

    /**
     * 头部节点序号
     */
    transient int head;

    /**
     * 尾部节点序号，（指向最后一点节点的后一个位置）
     */
    transient int tail;

    /**
     * 双端队列的最小容量，必须是2的幂
     */
    private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;

　　这里可以看到，元素都存储在Object数组中，head记录首节点的序号，tail记录尾节点后一个位置的序号，队列的容量最小为8，而且必须为2的幂。看到这里，有没有想到HashMap的元素个数限制也必须为2的幂，嗯，这里同HashMap一样，自有妙用，后面会有分析。

三、ArrayDeque的常用方法

		从队列首部插入/取出		从队列尾部插入/取出
	失败抛出异常	失败返回特殊值	失败抛出异常	失败返回特殊值
插入	addFirst(e) push()	offerFirst(e)	addLast(e)	offerLast(e)
移除	removeFirst() pop()	pollFirst()	removeLast()	pollLast()
获取	getFirst()	peekFirst()	getLast()	peekLast()

　　嗯，几乎绝大多数常用方法都在这里了，基本上可以分成两类，一类是以add，remove，get开头的方法，这类方法失败后会抛出异常，一类是以offer，poll，peek开头的方法，这类方法失败之后会返回特殊值，如null。大部分方法基本上都是可以根据命名来推断其作用，如addFirst，当然就是从队列头部插入，removeLast，便是从队列尾部移除，get和peek只获取元素而不移除，getFirst方法调用时，如果队列为空，会抛出NoSuchElementException异常，而peekFirst在队列为空时调用则返回null。

　　一下摆出这么多方法有些难以接受？别慌别慌，接下来让我们从源码的角度一起来看看这些方法，用图说话，来解释我们最开始那个栗子中到底发生了哪些事情。

四、ArrayDeque源码分析

　　先来看看构造函数：

    /**
     * 构造一个初始容量为16的空队列
     */
    public ArrayDeque() {
        elements = new Object[16];
    }

    /**
     * 构造一个能容纳指定大小的空队列
     */
    public ArrayDeque(int numElements) {
        allocateElements(numElements);
    }

    /**
     * 构造一个包含指定集合所有元素的队列
     */
    public ArrayDeque(Collection<? extends E> c) {
        allocateElements(c.size());
        addAll(c);
    }

　　所以之前栗子中，

ArrayDeque<String> arrayDeque = new ArrayDeque<>(4);

　　调用的是第二个构造函数，里面有这么一个函数allocateElements，让我们来看看它的实现：

 1     private void allocateElements(int numElements) {
 2         elements = new Object[calculateSize(numElements)];
 3     }
 4 
 5     private static int calculateSize(int numElements) {
 6         int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;
 7         if (numElements >= initialCapacity) {
 8             initialCapacity = numElements;
 9             initialCapacity |= (initialCapacity >>>  1);
10             initialCapacity |= (initialCapacity >>>  2);
11             initialCapacity |= (initialCapacity >>>  4);
12             initialCapacity |= (initialCapacity >>>  8);
13             initialCapacity |= (initialCapacity >>> 16);
14             initialCapacity++;
15 
16             if (initialCapacity < 0) 
17                 initialCapacity >>>= 1;
18         }
19         return initialCapacity;
20     }

　　allocateElements方法主要用于给内部的数组分配合适大小的空间，calculateSize方法用于计算比numElements大的最小2的幂次方，如果指定的容量大小小于MIN_INITIAL_CAPACITY（值为8），那么将容量设置为8，否则通过多次无符号右移进行最小2次幂计算。先将initialCapacity赋值为numElements，接下来，进行5次无符号右移，下面将以一个小栗子介绍这样运算的妙处。

　　在Java中，int类型是占4字节，也就是32位。简单起见，这里以一个8位二进制数来演示前三次操作。假设这个二进制数对应的十进制为89，整个过程如下：

　　可以看到最后，除了第一位，其他位全部变成了1，然后这个结果再加一，即得到大于89的最小的2次幂，怎么样，很巧妙吧，也许你会想，为什么右移的数值要分别是1，2，4，8，16呢？嗯，好问题。其实仔细观察就会发现，先右移在进行或操作，其实我们只需要关注第一个不为0的位即可，下面以64为例再演示一次：

　　所以，事实上，在这系列操作中，其他位只是配角，我们只需要关注第一个不为0的位即可，假设其为第n位，先右移一位然后进行或操作，得到的结果，第n位和第n-1位肯定为1，这样就有两个位为1了，然后进行右移两位，再进行或操作，那么第n位到第n-3位一定都为1，然后右移4位，依次类推。int为32位，因此，最后只需要移动16位即可。1+2+4+8+16 = 31，所以经过这一波操作，原数字对应的二进制，操作得到的结果将是从其第一个不为0的位开始，往后的位均为1。然后：

initialCapacity++;

　　再自增一下，目标完成。观察到还有下面这一小节代码：

if (initialCapacity < 0) 
    initialCapacity >>>= 1;

　　其实它是为了防止进行这一波操作之后，得到了负数，即原来第31位为1，得到的结果第32位将为1，第32位为符号位，1代表负数，这样的话就必须回退一步，将得到的数右移一位（即2 ^ 30）。嗯，那么这一部分就先告一段落了。

　　来看看之前的那些函数。　　

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

    /**
     * 在队列头部插入元素，如果元素为null，则抛出异常
     */
   public void addFirst(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
        if (head == tail)
            doubleCapacity();
    }

    /**
     * 在队列尾部插入元素，如果元素为null，则抛出异常
     */
    public void addLast(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        elements[tail] = e;
        if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
            doubleCapacity();
    }

　　add的几个函数比较简单，在头部或者尾部插入元素，如果直接调用add方法，则是在尾部插入，这时直接在对应位置塞入该元素即可。

elements[tail] = e;

　　然后把tail记录其后一个位置，如果tail记录的位置已经是数组的最后一个位置了怎么办？嗯，这里又有一个巧妙的操作，跟HashMap中的取模是一样的：

tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)

　　因为elements.length是2的幂次方，所以减一后就变成了掩码，tail如果记录的是最后一个位置，即 elements.length - 1，tail + 1 则等于elements.length，与 elements.length - 1 做与操作后，就变成了0，嗯，没错，这样就变成了一个循环数组，如果tail与head相等，则表示没有剩余空间可以存放更多元素了，则调用doubleCapacity进行扩容：

    private void doubleCapacity() {
        assert head == tail;
        int p = head;
        int n = elements.length;
        int r = n - p; // number of elements to the right of p
        int newCapacity = n << 1;
        if (newCapacity < 0)
            throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
        Object[] a = new Object[newCapacity];
        System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);
        System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);
        elements = a;
        head = 0;
        tail = n;
    }

　　扩容其实也是很简单粗暴的，先记录一下原来head的位置，然后把容量变为原来的两倍，然后把head之后的元素复制到新数组的开头，把剩余的元素复制到新数组之后。以之前的栗子为例，新建的ArrayDeque实例容量为8，然后我们调用add插入元素，插入H之后，tail指向第一个位置，与head重合，就会触发扩容。

        arrayDeque.add("A");
        arrayDeque.add("B");
        arrayDeque.add("C");
        arrayDeque.add("D");
        arrayDeque.add("E");
        arrayDeque.add("F");
        arrayDeque.add("G");
        arrayDeque.add("H");
        arrayDeque.add("I");

　　看图应该就比较清楚了，然后来看看获取元素的几个方法：

        // 获取元素
        String a = arrayDeque.getFirst();
        String a1 = arrayDeque.pop();
        String b = arrayDeque.element();
        String b1 = arrayDeque.removeFirst();
        String c = arrayDeque.peek();
        String c1 = arrayDeque.poll();
        String d = arrayDeque.pollFirst();
        String i = arrayDeque.pollLast();
        String e = arrayDeque.peekFirst();
        String h = arrayDeque.peekLast();
        String h1 = arrayDeque.removeLast();
        System.out.printf("a = %s, a1 = %s, b = %s, b1 = %s, c = %s, c1 = %s, d = %s, i = %s, e = %s, h = %s, h1 = %s", a,a1,b,b1,c,c1,d,i,e,h,h1);
        System.out.println();

　　getFirst方法直接取head位置的元素，如果为null则抛出异常。

    public E getFirst() {
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E result = (E) elements[head];
        if (result == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return result;
    }

　　getLast也是类似，取出tail所在位置的前一个位置，这里也做了掩码操作。

    public E getLast() {
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E result = (E) elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)];
        if (result == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return result;
    }

　　element方法直接调用的是getFirst方法：

    public E element() {
        return getFirst();
    }

　　remove方法有三个：

    public E remove() {
        return removeFirst();
    }

    public E removeFirst() {
        E x = pollFirst();
        if (x == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return x;
    }

    public E removeLast() {
        E x = pollLast();
        if (x == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return x;
    }

　　remove方法其实是调用的对应的poll方法，poll方法也有三个：

    public E poll() {
        return pollFirst();
    }

    public E pollFirst() {
        int h = head;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E result = (E) elements[h];
        // 如果结果为null则返回null
        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);
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E result = (E) elements[t];
        if (result == null)
            return null;
        elements[t] = null;
        tail = t;
        return result;
    }

　　其实也很简单，都是先取出对应的元素，如果为null则返回null，否则取出对应的元素并对head或tail进行调整。

　　pop方法调用的是removeFirst方法，removeFIrst方法调用的是pollFirst方法，所以方法看起来这么多，实际上最后真正调用的就那么几个。

    public E pop() {
        return removeFirst();
    }

　　peek方法是取出元素但是不移除，也有三个方法：

    public E peek() {
        return peekFirst();
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E peekFirst() {
        // elements[head] is null if deque empty
        return (E) elements[head];
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E peekLast() {
        return (E) elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)];
    }

　　这里没有做任何校验，所以如果如果取到的元素是null，返回的也是null。

　　再来看看插入元素的其它几个方法：

    public boolean offer(E e) {
        return offerLast(e);
    }

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

    public boolean offerFirst(E e) {
        addFirst(e);
        return true;
    }

    public void push(E e) {
        addFirst(e);
    }

　　offer方法直接调用的是add方法。

　　emmm，都是相互调用，为啥要设置那么多方法呢？其实主要是为了模拟不同的数据结构，如栈操作：pop，push，peek，队列操作：add，offer，remove，poll，peek，element，双端队列操作：addFirst，addLast，getFirst，getLast，peekFirst，peekLast，removeFirst，removeLast，pollFirst，pollLast。不过确实稍微多了一点。

　　之前的栗子里还有用到两个方法，removeFirstOccurrence和removeLastOccurrence，前者是移除首次出现的位置，后者是移除最后一次出现的位置。

    public boolean removeFirstOccurrence(Object o) {
        if (o == null)
            return false;
        int mask = elements.length - 1;
        int i = head;
        Object x;
        while ( (x = elements[i]) != null) {
            if (o.equals(x)) {
                delete(i);
                return true;
            }
            i = (i + 1) & mask;
        }
        return false;
    }

    public boolean removeLastOccurrence(Object o) {
        if (o == null)
            return false;
        int mask = elements.length - 1;
        int i = (tail - 1) & mask;
        Object x;
        while ( (x = elements[i]) != null) {
            if (o.equals(x)) {
                delete(i);
                return true;
            }
            i = (i - 1) & mask;
        }
        return false;
    }

　　其实都是通过循环遍历的方式进行查找一个是从head开始往后查找，一个是从tail开始往前查找。

　　最后，我们再来看看它的迭代器类。

    public Iterator<E> iterator() {
        return new DeqIterator();
    }

    private class DeqIterator implements Iterator<E> {

        private int cursor = head;

        private int fence = tail;

        private int lastRet = -1;

        public boolean hasNext() {
            return cursor != fence;
        }

        public E next() {
            if (cursor == fence)
                throw new NoSuchElementException();
            @SuppressWarnings("unchecked")
            E result = (E) elements[cursor];
            if (tail != fence || result == null)
                throw new ConcurrentModificationException();
            lastRet = cursor;
            cursor = (cursor + 1) & (elements.length - 1);
            return result;
        }

        public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            if (delete(lastRet)) { 
                cursor = (cursor - 1) & (elements.length - 1);
                fence = tail;
            }
            lastRet = -1;
        }

        public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
            Objects.requireNonNull(action);
            Object[] a = elements;
            int m = a.length - 1, f = fence, i = cursor;
            cursor = f;
            while (i != f) {
                @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E)a[i];
                i = (i + 1) & m;
                if (e == null)
                    throw new ConcurrentModificationException();
                action.accept(e);
            }
        }
    }

　　在迭代器类中，cursor记录的是head的位置，fence记录的是tail的位置，lastRet记录的是调用next返回的元素的序号，如果调用了remove方法，lastRet会置为-1，这里没有像其它容器那样使用modCount来实现fast-fail机制，而是通过在next方法中进行修改判断。

        // 如果移除了尾部元素，会导致 tail != fence
        // 如果移除了头部元素，会导致 result == null
        if (tail != fence || result == null)
            throw new ConcurrentModificationException();

　　当然，这种检测比较弱，如果先移除一个尾部元素，然后再添加一个尾部元素，那么tail依旧和fence相等，这种情况就检测不出来了。

　　在调用remove方法的时候，调用了一个delete方法，这是ArrayDeque类中的一个私有方法。

    private boolean delete(int i) {
        // 先做不变性检测，判断是否当前结构满足删除需求
        checkInvariants();
        final Object[] elements = this.elements;
        // mask即掩码
        final int mask = elements.length - 1;
        final int h = head;
        final int t = tail;
        // front代表i到头部的距离
        final int front = (i - h) & mask;
        // back代表i到尾部的距离
        final int back  = (t - i) & mask;

        // 再次校验，如果i到头部的距离大于等于尾部到头部的距离，表示当前队列已经被修改了，通过最开始检测后，i是不应该满足该条件的
        if (front >= ((t - h) & mask))
            throw new ConcurrentModificationException();

        // 为移动尽量少的元素做优化，如果离头部比较近，则将该位置到头部的元素进行移动，如果离尾部比较近，则将该位置到尾部的元素进行移动
        if (front < back) {
            if (h <= i) {
                System.arraycopy(elements, h, elements, h + 1, front);
            } else { // Wrap around
                System.arraycopy(elements, 0, elements, 1, i);
                elements[0] = elements[mask];
                System.arraycopy(elements, h, elements, h + 1, mask - h);
            }
            elements[h] = null;
            head = (h + 1) & mask;
            return false;
        } else {
            if (i < t) { // Copy the null tail as well
                System.arraycopy(elements, i + 1, elements, i, back);
                tail = t - 1;
            } else { // Wrap around
                System.arraycopy(elements, i + 1, elements, i, mask - i);
                elements[mask] = elements[0];
                System.arraycopy(elements, 1, elements, 0, t);
                tail = (t - 1) & mask;
            }
            return true;
        }
    }

　　所以这个delete还是花了一点心思的，不仅做了两次校验，还对元素移动进行了优化。嗯，到此为止，源码部分就差不多了。

　　那么现在再回到最开始提的问题。

　　1、ArrayDeque是什么？ArrayDeque是一个用循环数组实现的双端队列。

　　2、ArrayDeque如何使用？通过add，offer，poll等方法进行操作。

　　3、ArrayDeque的内部结构是怎样的？内部结构是一个循环数组。

　　4、ArrayDeque的各个方法是如何实现的？嗯，见上文。

　　5、ArrayDeque是如何扩容的？扩容成原来的两倍，然后将原来的内容复制到新数组中。

　　6、ArrayDeque的容量有什么限制？容量必须为2的幂次方，最小为8，默认为16.

　　7、ArrayDeque和LinkedList相比有什么优势？ArrayDeque通常来说比LinkedList更高效，因为可以在常量时间通过序号对元素进行定位，并且省去了对元素进行包装的空间和时间成本。

　　8、ArrayDeque的应用场景是什么？在很多场景下可以用来代替LinkedList，可以用做队列或者栈。

　　到此，本篇圆满结束。如果觉得还不错的话，记得动动小手点个赞，也欢迎关注博主，你们的支持是我写出更好博客的动力。

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码农公寓

一、ArrayDeque简介

二、ArrayDeque的内部结构

三、ArrayDeque的常用方法

四、ArrayDeque源码分析

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