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ArrayDeque类

 
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另:Java多线程(6)之Deque与LinkedBlockingDeque深入分析(转)

其他源码分析

 

ArrayDeque类实现Queue,Deque接口。

对于数组实现的Deque来说,数据结构上比较简单,只需要一个存储数据的数组以及头尾两个索引即可。由于数组是固定长度的,所以很容易就得到数组的头和尾,那么对于数组的操作只需要移动头和尾的索引即可。

特别说明的是ArrayDeque并不是一个固定大小的队列每次队列满了以后就将队列容量扩大一倍(doubleCapacity()),因此加入一个元素总是能成功,而且也不会抛出一个异常。也就是说ArrayDeque是一个没有容量限制的队列。

同样继续性能的考虑,使用System.arraycopy复制一个数组比循环设置要高效得多。

 

ArrayDeque不是线程安全的。 

ArrayDeque不可以存取null元素,因为系统根据某个位置是否为null来判断元素的存在。 

当作为栈使用时,性能比Stack好;

当作为队列使用时,性能比LinkedList好。 

因为栈Stack继承了Vector,是线程安全的

API

 

总结:

 1、队列满了后自动扩容,因此新增总会成功

2、head 为第一个元素的索引  

      tail 为下个要添加元素的位置,为末尾元素的索引 + 1     

      因此,首元素为element[head],未元素为element[tail-1]   

3、   

 头部添加元素e时:

         head = (head - 1) 

         elements[head】 = e

 尾部添加元素e时:

         是将e 赋值给elements[tail] 即elements[tail] = e;  

         tail = (tail + 1) ,指向下个要添加元素的位置

 

添加完之后都需要判断是否需要扩容。

 

头部删除元素时:

        elements[head] = null; 

        head = (head + 1)

尾部删除元素时:

        int t = (tail - 1)  // 处理临界情况(当tail为0时),与后的结果为elements.length - 1。     

        elements[t] = null;  

        tail = t

 

 

看了ArrayDeque类的源码。有以下几点总结:

 

1)ArrayDeque有两个类属性,head和tail,两个指针。

2)ArrayDeque通过一个数组作为载体,其中的数组元素在add等方法执行时不移动,发生变化的只是head和tail指针,而且指针是循环变化,数组容量不限制。

3)offer方法和add方法都是通过其中的addLast方法实现,每添加一个元素,就把元素加到数组的尾部,此时,head指针没有变化,而tail指针加一,因为指针是循环加的,所以当tail追上head((this.tail = this.tail + 1 & this.elements.length - 1) == this.head)时,数组容量翻一倍,继续执行。

4)remove方法和poll方法都是通过其中的pollFirst方法实现,每移除一个元素,该元素所在位置变成null,此时,tail指针没有变化,而head指针加一,当数组中没有数据时,返回null。

5)因为ArrayDeque不是线程安全的,所以,用作堆栈时快于 Stack,在用作队列时快于 LinkedList。

 

1. 两个重要的索引:head和tail 

Java代码  收藏代码
  1. // 第一个元素的索引  
  2. private transient int head;  
  3. // 下个要添加元素的位置,为末尾元素的索引 + 1  
  4. private transient int tail;  



2. 构造方法 

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  1. public ArrayDeque() {  
  2.     elements = (E[]) new Object[16]; // 默认的数组长度大小  
  3. }  
  4.   
  5. public ArrayDeque(int numElements) {  
  6.     allocateElements(numElements); // 需要的数组长度大小  
  7. }  
  8.   
  9. public ArrayDeque(Collection<? extends E> c) {  
  10.     allocateElements(c.size()); // 根据集合来分配数组大小  
  11.     addAll(c); // 把集合中元素放到数组中  
  12. }  



3. 分配合适大小的数组 

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  1. private void allocateElements(int numElements) {  
  2.     int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;  
  3.     // 找到大于需要长度的最小的2的幂整数。  
  4.     // Tests "<=" because arrays aren't kept full.  
  5.     if (numElements >= initialCapacity) {  
  6.         initialCapacity = numElements;  
  7.         initialCapacity |= (initialCapacity >>>  1);  
  8.         initialCapacity |= (initialCapacity >>>  2);  
  9.         initialCapacity |= (initialCapacity >>>  4);  
  10.         initialCapacity |= (initialCapacity >>>  8);  
  11.         initialCapacity |= (initialCapacity >>> 16);  
  12.         initialCapacity++;  
  13.   
  14.         if (initialCapacity < 0)   // Too many elements, must back off  
  15.             initialCapacity >>>= 1;// Good luck allocating 2 ^ 30 elements  
  16.     }  
  17.     elements = (E[]) new Object[initialCapacity];  
  18. }  



4. 扩容 

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  1. // 扩容为原来的2倍。  
  2. private void doubleCapacity() {  
  3.     assert head == tail;  
  4.     int p = head;  
  5.     int n = elements.length;  
  6.     int r = n - p; // number of elements to the right of p  
  7.     int newCapacity = n << 1;  
  8.     if (newCapacity < 0)  
  9.         throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");  
  10.     Object[] a = new Object[newCapacity];  
  11.     // 既然是head和tail已经重合了,说明tail是在head的左边。  
  12.     System.arraycopy(elements, p, a, 0, r); // 拷贝原数组从head位置到结束的数据  
  13.     System.arraycopy(elements, 0, a, r, p); // 拷贝原数组从开始到head的数据  
  14.     elements = (E[])a;  
  15.     head = 0// 重置head和tail为数据的开始和结束索引  
  16.     tail = n;  
  17. }  
  18.   
  19. // 拷贝该数组的所有元素到目标数组  
  20. private <T> T[] copyElements(T[] a) {  
  21.     if (head < tail) { // 开始索引大于结束索引,一次拷贝  
  22.         System.arraycopy(elements, head, a, 0, size());  
  23.     } else if (head > tail) { // 开始索引在结束索引的右边,分两段拷贝  
  24.         int headPortionLen = elements.length - head;  
  25.         System.arraycopy(elements, head, a, 0, headPortionLen);  
  26.         System.arraycopy(elements, 0, a, headPortionLen, tail);  
  27.     }  
  28.     return a;  
  29. }  



5. 添加元素 

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  1. public void addFirst(E e) {  
  2.     if (e == null)  
  3.         throw new NullPointerException();  
  4.     // 本来可以简单地写成head-1,但如果head为0,减1就变为-1了,和elements.length - 1进行与操作就是为了处理这种情况,这时结果为elements.length - 1。  
  5.     elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;  
  6.     if (head == tail) // head和tail不可以重叠  
  7.         doubleCapacity();  
  8. }  
  9.   
  10. public void addLast(E e) {  
  11.     if (e == null)  
  12.         throw new NullPointerException();  
  13.     // tail位置是空的,把元素放到这。  
  14.     elements[tail] = e;  
  15.     // 和head的操作类似,为了处理临界情况 (tail为length - 1时),和length - 1进行与操作,结果为0。  
  16.     if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)  
  17.         doubleCapacity();  
  18. }  
  19.   
  20. public boolean offerFirst(E e) {  
  21.     addFirst(e);  
  22.     return true;  
  23. }  
  24.   
  25. public boolean offerLast(E e) {  
  26.     addLast(e);  
  27.     return true;  
  28. }  



6. 删除元素 

删除首尾元素: 

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  1. public E removeFirst() {  
  2.     E x = pollFirst();  
  3.     if (x == null)  
  4.         throw new NoSuchElementException();  
  5.     return x;  
  6. }  
  7.   
  8. public E removeLast() {  
  9.     E x = pollLast();  
  10.     if (x == null)  
  11.         throw new NoSuchElementException();  
  12.     return x;  
  13. }  
  14.   
  15. public E pollFirst() {  
  16.     int h = head;  
  17.     E result = elements[h]; // Element is null if deque empty  
  18.     if (result == null)  
  19.         return null;  
  20.     // 表明head位置已为空  
  21.     elements[h] = null;     // Must null out slot  
  22.     head = (h + 1) & (elements.length - 1); // 处理临界情况(当h为elements.length - 1时),与后的结果为0。  
  23.     return result;  
  24. }  
  25.   
  26. public E pollLast() {  
  27.     int t = (tail - 1) & (elements.length - 1); // 处理临界情况(当tail为0时),与后的结果为elements.length - 1。  
  28.     E result = elements[t];  
  29.     if (result == null)  
  30.         return null;  
  31.     elements[t] = null;  
  32.     tail = t; // tail指向的是下个要添加元素的索引。  
  33.     return result;  
  34. }  



删除指定元素: 

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  1. public boolean removeFirstOccurrence(Object o) {  
  2.     if (o == null)  
  3.         return false;  
  4.     int mask = elements.length - 1;  
  5.     int i = head;  
  6.     E x;  
  7.     while ( (x = elements[i]) != null) {  
  8.         if (o.equals(x)) {  
  9.             delete(i);  
  10.             return true;  
  11.         }  
  12.         i = (i + 1) & mask; // 从头到尾遍历  
  13.     }  
  14.     return false;  
  15. }  
  16.   
  17. public boolean removeLastOccurrence(Object o) {  
  18.     if (o == null)  
  19.         return false;  
  20.     int mask = elements.length - 1;  
  21.     int i = (tail - 1) & mask; // 末尾元素的索引  
  22.     E x;  
  23.     while ( (x = elements[i]) != null) {  
  24.         if (o.equals(x)) {  
  25.             delete(i);  
  26.             return true;  
  27.         }  
  28.         i = (i - 1) & mask; // 从尾到头遍历  
  29.     }  
  30.     return false;  
  31. }  



Java代码  收藏代码
  1. private void checkInvariants() { // 有效性检查  
  2.     assert elements[tail] == null// tail位置没有元素  
  3.     assert head == tail ? elements[head] == null :  
  4.         (elements[head] != null &&  
  5.             elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)] != null); // 如果head和tail重叠,队列为空;否则head位置有元素,tail-1位置有元素。  
  6.     assert elements[(head - 1) & (elements.length - 1)] == null// head-1的位置没有元素。  
  7. }  
  8.   
  9. private boolean delete(int i) {  
  10.     checkInvariants();  
  11.     final E[] elements = this.elements;  
  12.     final int mask = elements.length - 1;  
  13.     final int h = head;  
  14.     final int t = tail;  
  15.     final int front = (i - h) & mask; // i前面的元素个数  
  16.     final int back  = (t - i) & mask; // i后面的元素个数  
  17.   
  18.     // Invariant: head <= i < tail mod circularity  
  19.     if (front >= ((t - h) & mask)) // i不在head和tail之间  
  20.         throw new ConcurrentModificationException();  
  21.   
  22.     // Optimize for least element motion  
  23.     if (front < back) { // i的位置靠近head,移动开始的元素,返回false。  
  24.         if (h <= i) {  
  25.             System.arraycopy(elements, h, elements, h + 1, front);  
  26.         } else { // Wrap around  
  27.             System.arraycopy(elements, 0, elements, 1, i);  
  28.             elements[0] = elements[mask]; // 处理边缘元素  
  29.             System.arraycopy(elements, h, elements, h + 1, mask - h);  
  30.         }  
  31.         elements[h] = null;  
  32.         head = (h + 1) & mask; // head位置后移  
  33.         return false;  
  34.     } else { // i的位置靠近tail,移动末尾的元素,返回true。  
  35.         if (i < t) { // Copy the null tail as well  
  36.             System.arraycopy(elements, i + 1, elements, i, back);  
  37.             tail = t - 1;  
  38.         } else { // Wrap around  
  39.             System.arraycopy(elements, i + 1, elements, i, mask - i);  
  40.             elements[mask] = elements[0];  
  41.             System.arraycopy(elements, 1, elements, 0, t);  
  42.             tail = (t - 1) & mask;  
  43.         }  
  44.         return true;  
  45.     }  
  46. }  



示意图: 
 

7. 获取元素 

Java代码  收藏代码
  1. public E getFirst() {  
  2.     E x = elements[head];  
  3.     if (x == null)  
  4.         throw new NoSuchElementException();  
  5.     return x;  
  6. }  
  7.   
  8. public E getLast() {  
  9.     E x = elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)]; // 处理临界情况(当tail为0时),与后的结果为elements.length - 1。  
  10.     if (x == null)  
  11.         throw new NoSuchElementException();  
  12.     return x;  
  13. }  
  14.   
  15. public E peekFirst() {  
  16.     return elements[head]; // elements[head] is null if deque empty  
  17. }  
  18.   
  19. public E peekLast() {  
  20.     return elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)];  
  21. }  



8. 队列操作 

Java代码  收藏代码
  1. public boolean add(E e) {  
  2.     addLast(e);  
  3.     return true;  
  4. }  
  5.   
  6. public boolean offer(E e) {  
  7.     return offerLast(e);  
  8. }  
  9.   
  10. public E remove() {  
  11.     return removeFirst();  
  12. }  
  13.   
  14. public E poll() {  
  15.     return pollFirst();  
  16. }  
  17.   
  18. public E element() {  
  19.     return getFirst();  
  20. }  
  21.   
  22. public E peek() {  
  23.     return peekFirst();  
  24. }  



9. 栈操作 

Java代码  收藏代码
  1. public void push(E e) {  
  2.     addFirst(e);  
  3. }  
  4.   
  5. public E pop() {  
  6.     return removeFirst();  
  7. }  



10. 集合方法 

Java代码  收藏代码
  1. public int size() {  
  2.     return (tail - head) & (elements.length - 1); // 和elements.length - 1进行与操作是为了处理当tail < head时的情况。  
  3. }  
  4.   
  5. public boolean isEmpty() {  
  6.     return head == tail; // tail位置的元素一定为空,head和tail相等,也为空。  
  7. }  
  8.   
  9. // 向前迭代器  
  10. public Iterator<E> iterator() {  
  11.     return new DeqIterator();  
  12. }  
  13.   
  14. // 向后迭代器  
  15. public Iterator<E> descendingIterator() {  
  16.     return new DescendingIterator();  
  17. }  



Java代码  收藏代码
  1.   private class DeqIterator implements Iterator<E> {  
  2.   
  3.       private int cursor = head;  
  4.   
  5.       private int fence = tail; // 迭代终止索引,同时也为了检测并发修改。  
  6.   
  7.       private int lastRet = -1// 最近的next()调用返回的索引。据此可以定位到需要删除元素的位置。  
  8.   
  9.       public boolean hasNext() {  
  10.           return cursor != fence;  
  11.       }  
  12.   
  13.       public E next() {  
  14.           if (cursor == fence)  
  15.               throw new NoSuchElementException();  
  16.           E result = elements[cursor];  
  17.           // This check doesn't catch all possible comodifications,  
  18.           // but does catch the ones that corrupt traversal  
  19.           if (tail != fence || result == null)  
  20.               throw new ConcurrentModificationException();  
  21.           lastRet = cursor;  
  22.           cursor = (cursor + 1) & (elements.length - 1); // 游标位置加1  
  23.           return result;  
  24.       }  
  25.   
  26.       public void remove() {  
  27.           if (lastRet < 0)  
  28.               throw new IllegalStateException();  
  29.           if (delete(lastRet)) { // 如果将元素从右往左移,需要将游标减1。  
  30.               cursor = (cursor - 1) & (elements.length - 1); // 游标位置回退1。  
  31. fence = tail; // 重置阀值。  
  32.    }  
  33.           lastRet = -1;  
  34.       }  
  35.   }  



Java代码  收藏代码
  1. private class DescendingIterator implements Iterator<E> {  
  2.   
  3.     private int cursor = tail; // 游标开始索引为tail  
  4.     private int fence = head; // 游标的阀值为head  
  5.     private int lastRet = -1;  
  6.   
  7.     public boolean hasNext() {  
  8.         return cursor != fence;  
  9.     }  
  10.   
  11.     public E next() {  
  12.         if (cursor == fence)  
  13.             throw new NoSuchElementException();  
  14.         cursor = (cursor - 1) & (elements.length - 1); // tail是下个添加元素的位置,所以要减1才是尾节点的索引。  
  15.         E result = elements[cursor];  
  16.         if (head != fence || result == null)  
  17.             throw new ConcurrentModificationException();  
  18.         lastRet = cursor;  
  19.         return result;  
  20.     }  
  21.   
  22.     public void remove() {  
  23.         if (lastRet < 0)  
  24.             throw new IllegalStateException();  
  25.         if (!delete(lastRet)) { // 如果从左往右移,需要将游标加1。  
  26.             cursor = (cursor + 1) & (elements.length - 1);  
  27.             fence = head;  
  28.         }  
  29.         lastRet = -1;  
  30.     }  
  31. }  



Java代码  收藏代码
  1. public boolean contains(Object o) {  
  2.     if (o == null)  
  3.         return false// ArrayDeque不可以存储null元素  
  4.     int mask = elements.length - 1;  
  5.     int i = head;  
  6.     E x;  
  7.     while ( (x = elements[i]) != null) {  
  8.         if (o.equals(x))  
  9.             return true;  
  10.         i = (i + 1) & mask; // 处理临界情况  
  11.     }  
  12.     return false;  
  13. }  
  14.   
  15. public boolean remove(Object o) {  
  16.     return removeFirstOccurrence(o);  
  17. }  
  18.   
  19. public void clear() {  
  20.     int h = head;  
  21.     int t = tail;  
  22.     if (h != t) { // clear all cells  
  23.         head = tail = 0// 重置首尾索引  
  24.         int i = h;  
  25.         int mask = elements.length - 1;  
  26.         do {  
  27.             elements[i] = null// 清除元素  
  28.             i = (i + 1) & mask;  
  29.         } while (i != t);  
  30.     }  
  31. }  
  32.   
  33. public Object[] toArray() {  
  34.     return copyElements(new Object[size()]); // 把所有元素拷贝到新创建的Object数组上,所以对返回数组的修改不会影响该双端队列。  
  35. }  
  36.   
  37. public <T> T[] toArray(T[] a) {  
  38.     int size = size();  
  39.     if (a.length < size) // 目标数组大小不够  
  40.         a = (T[])java.lang.reflect.Array.newInstance(  
  41.                 a.getClass().getComponentType(), size); // 利用反射创建类型为T,大小为size的数组。  
  42. yElements(a); // 拷贝所有元素到目标数组。  
  43.     if (a.length > size)  
  44.         a[size] = null// 结束标识  
  45.     return a;  
  46. }  



11. Object方法 

Java代码  收藏代码
  1. public ArrayDeque<E> clone() {  
  2.     try {  
  3.         ArrayDeque<E> result = (ArrayDeque<E>) super.clone();  
  4.         result.elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length); // 深度复制。  
  5.         return result;  
  6.   
  7.     } catch (CloneNotSupportedException e) {  
  8.         throw new AssertionError();  
  9.     }  
  10. }  

来源:http://czj4451.iteye.com/blog/1688693

 

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