Java零基础手把手系列：ArrayDeque简洁却不简单入门

最新推荐文章于 2025-02-28 19:02:36 发布

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本文介绍了Java中的ArrayDeque，一种双端队列实现，可以用于实现Stack和Queue。文章详细讲解了ArrayDeque的主要方法、用法、实现原理，包括成员变量、容量计算以及作为Stack和Queue的工作机制。ArrayDeque以其高效的常数时间复杂度操作和非线程安全特性，成为快速队列实现的选择。

在Java零基础手把手系列：Queue最简入门之后，今天一起学习其中双端队列Deque的一种实现：ArrayDeque

可以添加博主VX：crazy042438讨论

1. ArrayDeque简介

ArrayDeque是一种特殊的自增长数组：允许往它的头部和尾部插入或者删除数据，它是Java内置的实现类（继承自Deque）。

既然头部/尾部都可以添加/删除数据，所以ArrayDeque可以用来实现数据结构中的Stack（后进先出LIFO）和队列（先进先出FIFO）。

虽然Java里面实现Stack和Queue有很多替换类，但是文档里面说：

这就非常有意思了，我们一起来看看。

2. 主要方法

ArrayDeque的方法（增加删除等）都提供两类操作：一类调用之后返回状态（如true），一类调用不成功会抛出异常，如（NullPointerException），主要的方法如下：

功能	方法	返回状态	方法	抛出异常
往头部插入	offerFirst(e)	true/异常	addFirst(e)	NullPointerException
从头部删除	pollFirst()	null/元素	removeFirst()	NoSuchElementException
从头部获取	peekFirst()	null/元素	getFirst()	NoSuchElementException
往尾部插入	offerLast(e)	true/异常	addLast(e)	NullPointerException
从尾部删除	pollLast()	null/元素	removeLast()	NoSuchElementException
从尾部获取	peekLast()	null/元素	getLast()	NoSuchElementException

注：offerFirst其实是利用addFirst实现的

3. 主要用法

下面通过几个简单的例子，来看看ArrayDeque的基本使用方法。

3.1 使用ArrayDeque实现Stack

使用内置的两个方法可以轻松实现Stack的功能：

push：本质是调用addFirst，来看一下其中源码：

/**
  * Pushes an element onto the stack represented by this deque.  In other
  * words, inserts the element at the front of this deque.
  *
  * <p>This method is equivalent to {@link #addFirst}.
  *
  * @param e the element to push
  * @throws NullPointerException if the specified element is null
  */
 public void push(E e) {
     addFirst(e);
 }

pop：本质是调用removeFirst（源码就略过）

当需要往Stack里面添加元素当时候，调用push方法，需要出栈当时候，调用pop方法，我们来看一个例子：

public  void testStack(){
    Deque<String> stack = new ArrayDeque<>();
    stack.push("first");
    stack.push("second");
    //输出second
    System.out.println(stack.pop());
    //输出first
    System.out.println(stack.pop());

}

3.2 使用ArrayDeque实现Queue

同样地，使用其中内置的两个方法，可以轻松实现Queue的功能：

offer：本质是调用offerLast实现往队尾插入元素
poll：本质是调用pollFirst从头部删除元素

来看一个简单的例子：

public void testQueue(){
    Deque<String> queue = new ArrayDeque<>();
    queue.offer("first");
    queue.offer("second");

    //输出first
    System.out.println(queue.poll());
    //输出second
    System.out.println(queue.poll());
}

4. 实现原理简析

知道了它的简单使用办法，下面从其主要成员、实现Stack以及Queue的逻辑来说明其内部实现的原理

4.1 主要成员

ArrayDeque有三个最主要的成员变量

//基于数组实现
transient Object[] elements;
//头指针
transient int head;   
//尾指针
transient int tail;

这里基本可以猜到：ArrayDeque是以数组为基础（elements），辅助两个指针（头指针head和尾指针tail）来实现基本操作,也就是插入/删除的时候移动头/尾指针，如果遇到头尾重合，则扩容数组，如下图所示：

4.2 特别的容量计算

先说结论，其容量一定是2的n次方，有兴趣可以读下面2个小节，也可以忽略。

4.2.1 容量是如何计算的

ArrayDeque的源码里面有一个函数allocateElements用于分配数组elements的大小，如下：

private void allocateElements(int numElements) {
    int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;
    // Find the best power of two to hold elements.
    // Tests "<=" because arrays aren't kept full.
    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 = new Object[initialCapacity];
}

一看这个很懵逼，先用通俗易懂的语言总结一下：
a）如果传入数组容量小于8，则数组容量就等于8
b）如果传入数组容量（就是numElements）大于8，则寻找大于numElements的min( 2^n )那个数，比如传入9，那么大于9的min(2^5, 2^4, 2^3, 2^2, 2^1)=16，传入16，则大于16的min( 2^5, 2^4, 2^3…)=32
c）min( 2^n )表示：最小的2的n次方
d）所以数组elements的大小一定是2的n次方，也就只能是8，16，32，64，128等数字的取值

4.2.2 容量计算图解

如果想知道其原理，首先需要明白>>>是表示无符号数右移，比如数字5,二进制为0000 0101：

5 = 0000 0101 >>> 1 结果为：0000 0010 = 2
5 = 0000 0101 >>> 2 结果为：0000 0001 = 1

有了这个基础，来看allocateElements函数的图解：

解释一下：

a) 右移目的：所有原来数字二进制位上全部变为1

b）initialCapacity++的目的：所有为1的变为0，并且进位一个1，比如：

0000 0111 + 1 = 0000 1000

c) 判断小于0：怕加1之后溢出，所以干脆取最大的值吧，32位的话就是2^30次方

4.3 用作Stack（栈）

push和pop 3.1小节说了其本质是调用addFirst和removeFirst，先看操作图解：

如图示：当调用push往栈里面添加一个元素的时候，是head指针移动，且head的移动方向是从后往前移动（想想为什么呢？）,即addFirst里面关键的实现：

head = (head - 1) & (elements.length - 1)

当调用pop推出栈顶元素的时候，先让栈顶引用为null，然后head前移一个位置，即removeFirst/pollFirst里面的关键实现：

head = (head + 1) & (elements.length - 1);

4.4 用作Queue（队列）

offer和poll 3.2小节说了其本质是调用offerLast和pollFirst，先看操作图解：

如图示：当调用offer往队里面添加一个元素的时候，是tail指针移动，且tail移动的方向是从前往后（head这个时候是指向队首），即addLast里面的关键：

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

当调用poll推出栈顶元素的时候，先让head指向的引用为null，然后head前移一个位置，即removeFirst/pollFirst里面的关键实现：

head = (head + 1) & (elements.length - 1);

5. ArrayDeque特点总结

根据上面的一些简单的实现原理，在辅助一些源码的实现，ArrayDeque有几个特殊的地方，这里总结如下：

它不是线程安全的
null元素是不行的
大多数的操作时间复杂度为常数（可通过序号定位）
所以速度快于synchronized Stack
所以作为队列使用，比LinkedList快
自动扩容的时候，element的size是直接double