Java Review - Queue和Stack 源码解读
文章目录
- Pre
- 概述
- Queue
- Deque
- ArrayDeque
- 一览
- 构造函数
- 属性
- 方法
- addFirst()
- addLast()
- pollFirst()
- pollLast()
- peekFirst()
- peekLast()
Pre
Java Review - ArrayList 源码解读
Java Review - LinkedList源码解读
概述
Java中有Stack类，却没有叫做Queue的类，它是个接口的名字。当需要使用栈时，Java已不推荐使用Stack，而是推荐使用更高效的ArrayDeque；
既然Queue只是一个接口，当需要使用队列时也就首选ArrayDeque了，次选LinkedList。
Queue
Queue接口继承自Collection接口，除了最基本的Collection的方法之外，它还支持额外的insertion, extraction和inspection操作。
这里有两组格式，共6个方法，
- 一组是抛出异常的实现；
- 另外一组是返回值的实现(没有则返回null)。
| Insert | add(e) | offer(e) |
| Remove | remove | poll() |
| Examine | element() | peek |
Deque
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Deque是"double ended queue", 表示双向的队列，英文读作"deck".
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Deque 继承自 Queue接口，除了支持Queue的方法之外，还支持insert, remove和examine操作
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由于Deque是双向的，所以可以对队列的头和尾都进行操作 . 同时也支持两组格式，一组是抛出异常的实现；另外一组是返回值的实现(没有则返回null)。共12个方法如下:
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当把Deque当做FIFO的queue来使用时，元素是从deque的尾部添加，从头部进行删除的； 所以deque的部分方法是和queue是等同的。如下
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Deque的含义是“double ended queue”，即双端队列，它既可以当作栈使用，也可以当作队列使用。下表列出了Deque与Queue相对应的接
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Deque与Stack对应的接口如下：
上面两个表共定义了Deque的12个接口。
添加，删除，取值都有两套接口，它们功能相同，区别是对失败情况的处理不同。
一组接口遇到失败就会抛出异常
另一组遇到失败会返回特殊值(false或null)。
除非某种实现对容量有限制，大多数情况下，添加操作是不会失败的。虽然Deque的接口有12个之多，但无非就是对容器的两端进行操作，或添加，或删除，或查看。
ArrayDeque
一览
ArrayDeque和LinkedList是Deque的两个通用实现，由于官方更推荐使用AarryDeque用作栈和队列，着重讲解ArrayDeque的具体实现。
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从名字可以看出ArrayDeque底层通过数组实现，为了满足可以同时在数组两端插入或删除元素的需求，该数组还必须是循环的，即循环数组(circular array)，也就是说数组的任何一点都可能被看作起点或者终点。
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ArrayDeque是非线程安全的(not thread-safe)，当多个线程同时使用的时候，需要手动同步；
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ArrayDeque不允许放入null元素
上图中我们看到，head指向首端第一个有效元素，tail指向尾端第一个可以插入元素的空位。因为是循环数组，所以head不一定总等于0，tail也不一定总是比head大.
构造函数
/*** Constructs an empty array deque with an initial capacity* sufficient to hold 16 elements.*/public ArrayDeque() {elements = new Object[16];}/*** Constructs an empty array deque with an initial capacity* sufficient to hold the specified number of elements.** @param numElements lower bound on initial capacity of the deque*/public ArrayDeque(int numElements) {allocateElements(numElements);}/*** Constructs a deque containing the elements of the specified* collection, in the order they are returned by the collection's* iterator. (The first element returned by the collection's* iterator becomes the first element, or <i>front</i> of the* deque.)** @param c the collection whose elements are to be placed into the deque* @throws NullPointerException if the specified collection is null*/public ArrayDeque(Collection<? extends E> c) {allocateElements(c.size());addAll(c);} /*** Allocates empty array to hold the given number of elements.** @param numElements the number of elements to hold*/private void allocateElements(int numElements) {elements = new Object[calculateSize(numElements)];} /*** The minimum capacity that we'll use for a newly created deque.* Must be a power of 2.*/private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;// ****** Array allocation and resizing utilities ******private static int calculateSize(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 offinitialCapacity >>>= 1;// Good luck allocating 2 ^ 30 elements}return initialCapacity;}三个构造函数
allocateElements(int numElements) ：数组最小空间为8， 如果需要空间小于8，则申请数组大小为8，如果需要空间大于等于8，进行一定的容量扩大，而不只是提供需要数量的空间，防止下一次操作时又要进行扩容
属性
ArrayDeque提供了两个变量来操作数组：head 、 tail.
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head指向队列的头，tail指向队列尾的下一个位置，队列满的条件就是head == tail.
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扩容操作的执行时机：每次在向队列中添加元素以后，不论是在头部还是在尾部添加。
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扩容策略：空间是原空间的两倍大，将原来数组中元素拷贝到新数组中，因为是循环队列，可能出现head在tail后面的情况，拷贝到新数组时，从head指向开始拷贝，直到tail,也就是说，拷贝完成后，head指向新数组起始位置，tail指向最后一个元素的下一个位置。
方法
addFirst()
/*** Inserts the specified element at the front of this deque.** @param e the element to add* @throws NullPointerException if the specified element is null*/public void addFirst(E e) {if (e == null) //不允许放入nullthrow new NullPointerException();elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e; //2.下标是否越界if (head == tail)//1.空间是否够用doubleCapacity();//扩容}addFirst(E e)的作用是在Deque的首端插入元素，也就是在head的前面插入元素，在空间足够且下标没有越界的情况下，只需要将elements[–head] = e即可 。
上述代码我们看到，空间问题是在插入之后解决的，因为tail总是指向下一个可插入的空位，也就意味着elements数组至少有一个空位，所以插入元素的时候不用考虑空间问题。
下标越界的处理 ，head = (head - 1) & (elements.length - 1)就可以了，这段代码相当于取余，同时解决了head为负值的情况。
因为elements.length必需是2的指数倍，elements - 1就是二进制低位全1，跟head - 1相与之后就起到了取模的作用，如果head - 1为负数(其实只可能是-1)，则相当于对其取相对于elements.length的补码。
接下来看扩容的逻辑
/*** Doubles the capacity of this deque. Call only when full, i.e.,* when head and tail have wrapped around to become equal.*/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 .head右边元素的个数int newCapacity = n << 1; //原空间的2倍if (newCapacity < 0)throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");Object[] a = new Object[newCapacity];System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);//复制右半部分，对应下图中绿色部分System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);//复制左半部分，对应下图中灰色部分elements = a;head = 0;tail = n;}其逻辑是申请一个更大的数组(原数组的两倍)，然后将原数组复制过去。
图中我们看到，复制分两次进行，第一次复制head右边的元素，第二次复制head左边的元素。
addLast()
则调用doubleCapacity()进行扩容。
/*** Inserts the specified element at the end of this deque.** <p>This method is equivalent to {@link #add}.** @param e the element to add* @throws NullPointerException if the specified element is null*/public void addLast(E e) {if (e == null) //不允许放入nullthrow new NullPointerException();elements[tail] = e; //赋值if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head) //下标越界处理doubleCapacity();//扩容}addLast(E e)的作用是在Deque的尾端插入元素，也就是在tail的位置插入元素，由于tail总是指向下一个可以插入的空位，因此只需要elements[tail] = e;即可。插入完成后再检查空间，如果空间已经用光调用doubleCapacity()进行扩容。
pollFirst()
public E pollFirst() {E result = elements[head];if (result == null)//null值意味着deque为空return null;elements[h] = null;//let GC workhead = (head + 1) & (elements.length - 1);//下标越界处理return result; }pollFirst()的作用是删除并返回Deque首端元素，也即是head位置处的元素。
如果容器不空，只需要直接返回elements[head]即可，当然还需要处理下标的问题。由于ArrayDeque中不允许放入null，当elements[head] == null时，意味着容器为空。
pollLast()
public E pollLast() {int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);//tail的上一个位置是最后一个元素E result = elements[t];if (result == null)//null值意味着deque为空return null;elements[t] = null;//let GC worktail = t;return result; }pollLast()的作用是删除并返回Deque尾端元素，也即是tail位置前面的那个元素。
peekFirst()
public E peekFirst() {return elements[head]; // elements[head] is null if deque empty }peekFirst()的作用是返回但不删除Deque首端元素，也即是head位置处的元素，直接返回elements[head]即可
peekLast()
public E peekLast() {return elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)]; }peekLast()的作用是返回但不删除Deque尾端元素，也即是tail位置前面的那个元素。
总结
以上是生活随笔为你收集整理的Java Review - Queue和Stack 源码解读的全部内容，希望文章能够帮你解决所遇到的问题。
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