Queue除了前面介绍的实现外,还有一种双向的Queue实现Deque。这种队列允许在队列头和尾部进行入队出队操作,因此在功能上比Queue显然要更复杂。下图描述的是Deque的完整体系图。需要说明的是LinkedList也已经加入了Deque的一部分(LinkedList是从jdk1.2 开始就存在数据结构)。
Deque在Queue的基础上增加了更多的操作方法。
从上图可以看到,Deque不仅具有FIFO的Queue实现,也有FILO的实现,也就是不仅可以实现队列,也可以实现一个堆栈。
同时在Deque的体系结构图中可以看到,实现一个Deque可以使用数组(ArrayDeque),同时也可以使用链表(LinkedList),还可以同实现一个支持阻塞的线程安全版本队列LinkedBlockingDeque。
1、ArrayDeque实现Deque
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。
1.1、ArrayDeque的源码解析
//数组双端队列ArrayDeque的源码解析public class ArrayDeque<E> extends AbstractCollection<E> implements Deque<E>, Cloneable, Serializable{ /** * 存放队列元素的数组,数组的长度为“2的指数” */ private transient E[] elements; /** *队列的头部索引位置,(被remove()或pop()操作的位置),当为空队列时,首尾index相同 */ private transient int head; /** * 队列的尾部索引位置,(被 addLast(E), add(E), 或 push(E)操作的位置). */ private transient int tail; /** * 队列的最小容量(大小必须为“2的指数”) */ private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8; // ****** Array allocation and resizing utilities ****** /** * 根据所给的数组长度,得到一个比该长度大的最小的2^p的真实长度,并建立真实长度的空数组 */ private void allocateElements(int numElements) { int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY; 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]; } /** * 当队列首尾指向同一个引用时,扩充队列的容量为原来的两倍,并对元素重新定位到新数组中 */ private void doubleCapacity() { assert head == tail; int p = head; int n = elements.length; int r = n - p; // number of elements to the right of p int newCapacity = n << 1; if (newCapacity < 0) throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big"); Object[] a = new Object[newCapacity]; System.arraycopy(elements, p, a, 0, r); System.arraycopy(elements, 0, a, r, p); elements = (E[])a; head = 0; tail = n; } /** * 拷贝队列中的元素到新数组中 */ private <T> T[] copyElements(T[] a) { if (head < tail) { System.arraycopy(elements, head, a, 0, size()); } else if (head > tail) { int headPortionLen = elements.length - head; System.arraycopy(elements, head, a, 0, headPortionLen); System.arraycopy(elements, 0, a, headPortionLen, tail); } return a; } /** * 默认构造队列,初始化一个长度为16的数组 */ public ArrayDeque() { elements = (E[]) new Object[16]; } /** * 指定元素个数的构造方法 */ public ArrayDeque(int numElements) { allocateElements(numElements); } /** * 用一个集合作为参数的构造方法 */ public ArrayDeque(Collection<? extends E> c) { allocateElements(c.size()); addAll(c); } //插入和删除的方法主要是: addFirst(),addLast(), pollFirst(), pollLast()。 //其他的方法依赖于这些实现。 /** * 在双端队列的前端插入元素,元素为null抛异常 */ public void addFirst(E e) { if (e == null) throw new NullPointerException(); elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e; if (head == tail) doubleCapacity(); } /** *在双端队列的末端插入元素,元素为null抛异常 */ public void addLast(E e) { if (e == null) throw new NullPointerException(); elements[tail] = e; if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head) doubleCapacity(); } /** * 在前端插入,调用addFirst实现,返回boolean类型 */ public boolean offerFirst(E e) { addFirst(e); return true; } /** * 在末端插入,调用addLast实现,返回boolean类型 */ public boolean offerLast(E e) { addLast(e); return true; } /** * 删除前端,调用pollFirst实现 */ public E removeFirst() { E x = pollFirst(); if (x == null) throw new NoSuchElementException(); return x; } /** * 删除后端,调用pollLast实现 */ public E removeLast() { E x = pollLast(); if (x == null) throw new NoSuchElementException(); return x; } //前端出对(删除前端) public E pollFirst() { int h = head; E result = elements[h]; // Element is null if deque empty if (result == null) return null; elements[h] = null; // Must null out slot head = (h + 1) & (elements.length - 1); return result; } //后端出对(删除后端) public E pollLast() { int t = (tail - 1) & (elements.length - 1); E result = elements[t]; if (result == null) return null; elements[t] = null; tail = t; return result; } /** * 得到前端头元素 */ public E getFirst() { E x = elements[head]; if (x == null) throw new NoSuchElementException(); return x; } /** * 得到末端尾元素 */ public E getLast() { E x = elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)]; if (x == null) throw new NoSuchElementException(); return x; } public E peekFirst() { return elements[head]; // elements[head] is null if deque empty } public E peekLast() { return elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)]; } /** * 移除此双端队列中第一次出现的指定元素(当从头部到尾部遍历双端队列时)。 */ public boolean removeFirstOccurrence(Object o) { if (o == null) return false; int mask = elements.length - 1; int i = head; E x; while ( (x = elements[i]) != null) { if (o.equals(x)) { delete(i); return true; } i = (i + 1) & mask; } return false; } /** * 移除此双端队列中最后一次出现的指定元素(当从头部到尾部遍历双端队列时)。 */ public boolean removeLastOccurrence(Object o) { if (o == null) return false; int mask = elements.length - 1; int i = (tail - 1) & mask; E x; while ( (x = elements[i]) != null) { if (o.equals(x)) { delete(i); return true; } i = (i - 1) & mask; } return false; } // *** 队列方法(Queue methods) *** /** * add方法,添加到队列末端 */ public boolean add(E e) { addLast(e); return true; } /** * 同上 */ public boolean offer(E e) { return offerLast(e); } /** * remove元素,删除队列前端 */ public E remove() { return removeFirst(); } /** * 弹出前端(出对,删除前端) */ public E poll() { return pollFirst(); } public E element() { return getFirst(); } public E peek() { return peekFirst(); } // *** 栈 方法(Stack methods) *** public void push(E e) { addFirst(e); } public E pop() { return removeFirst(); } private void checkInvariants() { …… } private boolean delete(int i) { …… } // *** 集合方法(Collection Methods) *** …… // *** Object methods *** ……}整体来说:1个数组,2个index(head 索引和tail索引)。实现比较简单,容易理解。
2、LinkedList实现Deque
对于LinkedList本身而言,数据结构就更简单了,除了一个size用来记录大小外,只有head一个元素Entry。对比Map和Queue的其它数据结构可以看到这里的Entry有两个引用,是双向的队列。
在示意图中,LinkedList总是有一个“傀儡”节点,用来描述队列“头部”,但是并不表示头部元素,它是一个执行null的空节点。
队列一开始只有head一个空元素,然后从尾部加入E1(add/addLast),head和E1之间建立双向链接。然后继续从尾部加入E2,E2就在head和E1之间建立双向链接。最后从队列的头部加入E3(push/addFirst),于是E3就在E1和head之间链接双向链接。
双向链表的数据结构比较简单,操作起来也比较容易,从事从“傀儡”节点开始,“傀儡”节点的下一个元素就是队列的头部,前一个元素是队列的尾部,换句话说,“傀儡”节点在头部和尾部之间建立了一个通道,是整个队列形成一个循环,这样就可以从任意一个节点的任意一个方向能遍历完整的队列。
同样LinkedList也是一个没有容量限制的队列,因此入队列(不管是从头部还是尾部)总能成功。
3、小结
上面描述的ArrayDeque和LinkedList是两种不同方式的实现,通常在遍历和节省内存上ArrayDeque更高效(索引更快,另外不需要Entry对象),但是在队列扩容下LinkedList更灵活,因为不需要复制原始的队列,某些情况下可能更高效。
同样需要注意的上述两个实现都不是线程安全的,因此只适合在单线程环境下使用,下面章节要介绍的LinkedBlockingDeque就是线程安全的可阻塞的Deque。事实上也应该是功能最强大的Queue实现,当然了实现起来也许会复杂一点。
一个人负心,或许是因为他的记忆力不好。