Java中双端队列的多种实现类详解

双端队列（Deque，即Double Ended Queue）是Java集合框架中的重要组成部分，它允许在队列的两端高效地插入和删除元素。本文我将深入剖析Java中四种主要的双端队列实现类：ArrayDeque、LinkedList、ConcurrentLinkedDeque和LinkedBlockingDeque，通过源码分析和性能对比，帮你掌握在不同应用场景下双端队列的最优选择。

一、双端队列概述与核心接口

双端队列（Deque）是一种特殊的队列，支持在队列的头部和尾部进行高效的插入和删除操作。在Java中，Deque接口继承自Queue接口，定义了一套标准的双端操作方法：

public interface Deque<E> extends Queue<E> {
   
   
    // 头部操作
    void addFirst(E e);
    boolean offerFirst(E e);
    E removeFirst();
    E pollFirst();
    E getFirst();
    E peekFirst();
    
    // 尾部操作
    void addLast(E e);
    boolean offerLast(E e);
    E removeLast();
    E pollLast();
    E getLast();
    E peekLast();
    
    // 栈操作
    void push(E e);
    E pop();
    
    // 迭代器
    Iterator<E> descendingIterator();
}

Deque接口提供了两套操作方法：一套在操作失败时抛出异常（如addFirst()），另一套返回特殊值（如offerFirst()返回false）。这种设计模式为不同使用场景提供了灵活性。

二、ArrayDeque：基于动态数组的双端队列实现

核心特性

• 底层结构：循环数组，数组长度始终为2的幂
• 扩容机制：容量不足时自动扩容为原容量的2倍
• 性能特点：随机访问时间复杂度O(1)，插入删除平均O(1)
• 限制条件：不允许存储null元素

源码分析：循环数组的奥秘

ArrayDeque使用两个索引变量head和tail来标记队列的头部和尾部：

transient Object[] elements; // 存储元素的数组
transient int head;          // 头部元素索引
transient int tail;          // 尾部元素的下一个位置索引

插入元素时的索引计算采用位运算，确保在数组范围内循环：

// 添加到尾部
public void addLast(E e) {
   
   
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
    elements[tail] = e;
    // 位运算等价于 (tail + 1) % elements.length
    if ((tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
        doubleCapacity(); // 扩容
}

常用方法示例

Deque<String> deque = new ArrayDeque<>();

// 添加元素
deque.addFirst("A");  // 头部插入
deque.offerLast("B"); // 尾部插入

// 访问元素
String first = deque.peekFirst()