给jdk写注释系列之jdk1.6容器(11):Queue之ArrayDeque源码解析

本系列:

 

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     
public class ArrayDeque<E> extends AbstractCollection<E>
                           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:
public interface Queue<E> extends Collection<E> {
    // 增加一个元素到队尾,如果队列已满,则抛出一个IIIegaISlabEepeplian异常
    boolean add(E e);
    // 添加一个元素到队尾并返回true,如果队列已满,则返回false
    boolean offer(E e);
    // 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
    E remove();
    // 移除并返问队列头部的元素,如果队列为空,则返回null
    E poll();
    // 返回队列头部的元素,如果队列为空,则抛出一个NoSuchElementException异常
    E element();
    // 返问队列头部的元素,如果队列为空,则返回null
    E peek();
}
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。
// 底层用数组存储元素
    private transient E[] elements;
     // 队列的头部元素索引(即将pop出的一个)
      private transient int head;
     // 队列下一个要添加的元素索引
      private transient int tail;
     // 最小的初始化容量大小,需要为2的n次幂
      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
/**
     * 默认构造方法,数组的初始容量为16
     */
    public ArrayDeque() {
        elements = (E[]) new Object[16];
    }
 
    /**
     * 使用一个指定的初始容量构造一个ArrayDeque
     */
    public ArrayDeque( int numElements) {
        allocateElements(numElements);
    }

    /**
     * 构造一个指定Collection集合参数的ArrayDeque
     */
    public ArrayDeque(Collection<? extends E> c) {
        allocateElements(c.size());
        addAll(c);
    }

    /**
     * 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
     */
    private void allocateElements(int numElements) {
        int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;
        // 找到大于指定容量的最小的2的n次幂
        // Find the best power of two to hold elements.
        // Tests "<=" because arrays aren't kept full.
        // 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
        if (numElements >= initialCapacity) {
            initialCapacity = numElements;
            initialCapacity |= (initialCapacity >>>  1);
            initialCapacity |= (initialCapacity >>>  2);
            initialCapacity |= (initialCapacity >>>  4);
            initialCapacity |= (initialCapacity >>>  8);
            initialCapacity |= (initialCapacity >>> 16);
            initialCapacity++;

            if (initialCapacity < 0)   // Too many elements, must back off
                initialCapacity >>>= 1; // Good luck allocating 2 ^ 30 elements
        }
        elements = (E[]) new Object[initialCapacity];
    }
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:
// 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
int capacity = 1;
while (capacity &lt; initialCapacity)
     capacity &lt;&lt;= 1;<span style="font-weight: normal;"> </span>

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)

/**
     * 增加一个元素,如果队列已满,则抛出一个IIIegaISlabEepeplian异常
     */
    public boolean add(E e) {
        // 调用addLast方法,将元素添加到队尾
        addLast(e);
        return true;
    }

     /**
     * 添加一个元素
     */
    public boolean offer(E e) {
        // 调用offerLast方法,将元素添加到队尾
        return offerLast(e);
    }

    /**
     * 在队尾添加一个元素
     */
    public boolean offerLast(E e) {
        // 调用addLast方法,将元素添加到队尾
        addLast(e);
        return true;
    }

    /**
     * 将元素添加到队尾
     */
    public void addLast(E e) {
        // 如果元素为null,咋抛出空指针异常
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        // 将元素e放到数组的tail位置
        elements[tail ] = e;
        // 判断tail和head是否相等,如果相等则对数组进行扩容
        if ( (tail = (tail + 1) & ( elements.length - 1)) == head)
            // 进行两倍扩容
            doubleCapacity();
    }

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。
/**
     * 数组将要满了的时候(tail==head)将,数组进行2倍扩容
     */
    private void doubleCapacity() {
        // 验证head和tail是否相等
        assert head == tail;
        int p = head ;
        // 记录数组的长度
        int n = elements .length;
        // 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
        int r = n - p; // number of elements to the right of p
        // 将数组长度扩大2倍
        int newCapacity = n << 1;
        // 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
        if (newCapacity < 0)
            throw new IllegalStateException( "Sorry, deque too big" );
        // 创建一个长度是原数组大小2倍的新数组
        Object[] a = new Object[newCapacity];
        // 将原数组head后的元素都拷贝值新数组
        System. arraycopy(elements, p, a, 0, r);
        // 将原数组head前的元素都拷贝到新数组
        System. arraycopy(elements, 0, a, r, p);
        // 将新数组赋值给elements
        elements = (E[])a;
        // 重置head为数组的第一个位置索引0
        head = 0;
        // 重置tail为数组的最后一个位置索引+1((length - 1) + 1)
        tail = n;
    }
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
/**
     * 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
     */
    public E remove() {
        // 调用removeFirst方法,移除队头的元素
        return removeFirst();
    }

    /**
     * @throws NoSuchElementException {@inheritDoc}
     */
    public E removeFirst() {
        // 调用pollFirst方法,移除并返回队头的元素
        E x = pollFirst();
        // 如果队列为空,则抛出NoSuchElementException异常
        if (x == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return x;
    }
 
    /**
     * 移除并返问队列头部的元素,如果队列为空,则返回null
     */
    public E poll() {
        // 调用pollFirst方法,移除并返回队头的元素
        return pollFirst();
    }

    public E pollFirst() {
        int h = head ;
        // 取出数组队头位置的元素
        E result = elements[h]; // Element is null if deque empty
        // 如果数组队头位置没有元素,则返回null值
        if (result == null)
            return null;
        // 将数组队头位置置空,也就是删除元素
        elements[h] = null;     // Must null out slot
        // 将head指针往前移动一个位置
        head = (h + 1) & (elements .length - 1);
        // 将队头元素返回
        return result;
    }
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)
/**
     *  返回队列头部的元素,如果队列为空,则抛出一个NoSuchElementException异常
     */
    public E element() {
        // 调用getFirst方法,获取队头的元素
        return getFirst();
    }

    /**
     * @throws NoSuchElementException {@inheritDoc}
     */
    public E getFirst() {
        // 取得数组head位置的元素
        E x = elements[head ];
        // 如果数组head位置的元素为null,则抛出异常
        if (x == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return x;
    }

    /**
     * 返回队列头部的元素,如果队列为空,则返回null
     */
    public E peek() {
        // 调用peekFirst方法,获取队头的元素
        return peekFirst();
    }

    public E peekFirst() {
        // 取得数组head位置的元素并返回
        return elements [head]; // elements[head] is null if deque empty
    }
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!
参见:


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