java Deque 接口

深入理解Java Deque:双端队列操作详解与应用
本文解析Java Deque接口的定义、方法、应用场景,涵盖容量、特殊操作及其实现类,助你掌握这个双端队列核心组件。

java Deque 接口是 java 集合框架中不可或缺的一部分。想要真正理解它,你需要花费足够的时间去学习思考实践。通过此文,我仅从我个人的角度以及对它的理解程度,进行一些基础的学习分享,不足之处,欢迎批评讨论。这是一个较为基层的定义。

首先,从它的定义上看,

Interface Deque<E>

类型参数:

E - 在此集合中含有的元素的类型

它继承的所有的父接口 (Superinterfaces) :

Collection<E>, Iterable<E>, Queue<E>

所有已知的子接口:

BlockingDeque<E>

所有已知的实现了此接口的类:

      ArrayDequeConcurrentLinkedDequeLinkedBlockingDequeLinkedList

概念定义,概括笼统的说,它是一个支持从两端进行插入和移除元素的线性集合。

方便加深认识,看一下它的命名,deque 是英文"double ended queue"的简写,知道来源,便于理解记忆,意思是“双端队列”,前两个单词取首字母,最后一个单词取前3个字母。读音可以一般读作"deck"。

容量,因为它是集合框架的一员,所以需要说一下 Deque 的容量。大多数 Deque 的实现,对其可能包含的元素数量是没有固定限制的。但,Deque 是支持容量受限的双端队列,以及容量没有固定大小限制的双端队列的。

定义的方法,此接口主要定义了从队列两端操作其元素的方法。这些方法主要提供3种操作,插入移除查看元素。这些方法中的每一种操作都以两种形式存在:一种在操作失败时抛出异常,另一种返回一个特殊值(null 或 false,取决于操作)。后一种形式的插入操作是专门为容纳容量受限的 Deque 的实现类而设计的;在大多数的实现中,插入操作不会失败。

通过一个表来看一下上面所说的方法:

Summary of Deque methods
First Element (Head)Last Element (Tail)
Throws exceptionSpecial valueThrows exceptionSpecial value
InsertaddFirst(e)offerFirst(e)addLast(e)offerLast(e)
RemoveremoveFirst()pollFirst()removeLast()pollLast()
ExaminegetFirst()peekFirst()getLast()peekLast()

作为队列相关的使用

该接口扩展了 Queue 接口。当作为队列用时,会产生 FIFO(First-In-First-Out 先进先出)行为。元素被从双端队列的末尾添加,并从开头删除。从 Queue 接口继承的方法与 Deque 的相关方法完全等价,如下表所示:

                                           Queue 和 Deque 方法的比较

Queue Method等价的 Deque Method
add(e)addLast(e)
offer(e)offerLast(e)
remove()removeFirst()
poll()pollFirst()
element()getFirst()
peek()peekFirst()

作为堆栈相关的使用

该接口也可以用作 LIFO(Last-In-First-Out 后进先出)堆栈。当用到堆栈操作时,应优先使用此接口而不是旧的 Stack 类。

当 Deque 用作堆栈时,从这 Deque 的开头入栈和出栈元素。Stack 相关的操作方法完全等同于 Deque 相关的操作方法,如下表所示:

Stack 和 Deque 的相关方法比较
Stack 方法等价的 Deque 方法
push(e)addFirst(e)
pop()removeFirst()
peek()peekFirst()

请注意,当 Deque 用作队列或堆栈时,peek 方法同样有效;在任何一种情况下,元素都是从 Deque 的开头抽取的。

操作内部元素方法

Deque 还提供了两种移除内部元素的方法,removeFirstOccurrence 和 removeLastOccurrence。

与 List 接口不同,此接口不支持对元素的索引访问。

虽然没有严格要求 Deque 的实现类禁止插入 null 元素,但强烈鼓励它们这样做。强烈建议允许使用 null 元素的任何完成 Deque 的实现类的用户不要利用插入 null 的功能。这是因为 null 被各种方法用作特殊返回值来指示 Deque 为空。

Deque 实现通常不定义 equals 和 hashCode 方法的基于元素的版本,而是从类 Object 继承基于类 Object 本身的版本。

最后看一下 Deque 的归属,此接口是 Java 集合框架 ( Java Collections Framework) 的一个成员。

### JavaDeque接口的实现方式 #### ArrayDeque `ArrayDeque` 是 `Deque` 接口的一个高效实现,底层基于数组。它不支持线程安全的操作,并且不允许插入 `null` 元素。由于其高效的性能表现,推荐在大多数情况下优先使用 `ArrayDeque` 而不是传统的 `Stack` 类。 以下是创建并操作 `ArrayDeque` 的示例代码: ```java import java.util.ArrayDeque; import java.util.Deque; public class ArrayDequeExample { public static void main(String[] args) { Deque<String> deque = new ArrayDeque<>(); // 添加元素到队尾 deque.add("A"); deque.offer("B"); // 同 add 方法 // 添加元素到队首 deque.push("C"); // 或者使用 offerFirst 方法 System.out.println(deque); // 输出: [C, A, B] // 移除队首元素 String firstElement = deque.poll(); // 返回 C 并移除 System.out.println(firstElement); // 输出: C System.out.println(deque); // 输出: [A, B] // 获取但不移除队首元素 String peekedElement = deque.peek(); System.out.println(peekedElement); // 输出: A } } ``` 上述代码展示了如何向 `ArrayDeque` 中添加、获取和移除元素[^4]。 --- #### LinkedList `LinkedList` 不仅实现了 `List` 接口还实现了 `Deque` 接口,因此它可以作为列表或者双端队列使用。与 `ArrayDeque` 不同的是,`LinkedList` 支持存储 `null` 元素,并且它是通过双向链表实现的,这使得某些操作(如中间位置插入/删除)更加灵活。 下面是 `LinkedList` 作为 `Deque` 使用的例子: ```java import java.util.LinkedList; import java.util.Deque; public class LinkedListAsDequeExample { public static void main(String[] args) { Deque<Integer> deque = new LinkedList<>(); // 插入元素到队尾 deque.addLast(10); deque.offerLast(20); // 插入元素到队首 deque.addFirst(5); deque.offerFirst(0); System.out.println(deque); // 输出: [0, 5, 10, 20] // 删除队首元素 Integer removedFromHead = deque.removeFirst(); System.out.println(removedFromHead); // 输出: 0 System.out.println(deque); // 输出: [5, 10, 20] // 删除队尾元素 Integer removedFromTail = deque.pollLast(); System.out.println(removedFromTail); // 输出: 20 System.out.println(deque); // 输出: [5, 10] } } ``` 这段代码演示了如何利用 `LinkedList` 来模拟 FIFO 和 LIFO 行为[^2]。 --- #### LinkedBlockingDeque 对于需要在线程间共享资源的应用场景,可以选择 `LinkedBlockingDeque`。这是一个可选容量限制的阻塞双端队列,适用于生产者-消费者模型下的多线程环境。当队列为空时尝试取走元素会等待直到有可用的数据;同样地,如果达到最大容量再试图加入新数据也会被挂起直至空间释放。 下面是一段简单的 `LinkedBlockingDeque` 应用实例: ```java import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque; import java.util.concurrent.TimeUnit; public class LinkedBlockingDequeExample { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { LinkedBlockingDeque<String> blockingDeque = new LinkedBlockingDeque<>(3); // 尝试放入超过容量限制的项将会抛出异常或阻塞当前线程 boolean addedSuccessfully = blockingDeque.offer("Task1", 1, TimeUnit.SECONDS); System.out.println("Added Task1? " + addedSuccessfully); // true addedSuccessfully = blockingDeque.offer("Task2", 1, TimeUnit.SECONDS); System.out.println("Added Task2? " + addedSuccessfully); // true addedSuccessfully = blockingDeque.offer("Task3", 1, TimeUnit.SECONDS); System.out.println("Added Task3? " + addedSuccessfully); // true try { // 下面这一句可能会因为超时而失败 addedSuccessfully = blockingDeque.offer("Task4", 1, TimeUnit.SECONDS); System.out.println("Added Task4? " + addedSuccessfully); // false (after timeout) } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } while (!blockingDeque.isEmpty()) { System.out.println(blockingDeque.take()); // 阻塞直到有元素可供消费 } } } ``` 该程序片段说明了如何配置固定大小的缓冲区以及处理可能发生的竞争条件等问题[^1]。 --- ### 性能对比总结 | 特性 | ArrayDeque | LinkedList | LinkedBlockingDeque | |---------------------|-------------------------------|------------------------------|-----------------------------| | **内部结构** | 数组 | 双向链表 | 线程安全版双向链表 | | **是否支持 null** | 不支持 | 支持 | 支持 | | **线程安全性** | 非线程安全 | 非线程安全 | 线程安全 | | **适用场合** | 单线程高性能需求 | 动态调整频繁 | 多线程协作 | 以上表格概括了几种主要实现的特点及其最佳应用场景。
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