消息队列MQ
Queue之ArrayDeque源码解析
- 1 Queue
- 1.1 定义
- 1.2 底层存储
- 1.3 构造方法
- 1.4 入队（添加元素到队尾）
- 1.5 出队（移除并返回队头元素）
- 1.6 返回队头元素（不删除）
1 Queue
1.1 定义
前面讲了Stack是一种先进后出的数据结构：栈，那么对应的Queue是一种先进先出（First In First Out）的数据结构：队列
对比一下Stack，Queue是一种先进先出的容器，它有两个口，从一个口放入元素，从另一个口获取元素。如果把栈比作一个木桶，那么队列就是一个管道。
队列有两个口，一个负责入队另一个负责出队，所以会有先进先出的效果。
当然我们说ArrayDeque是一个双向队列，队列的两个口都可以入队和出队操作。再进一步说，其实ArrayDeque可以说成是一个双向循环队列，是不是和链表的分类很像。
public class ArrayDeque<E> extends AbstractCollection<E>
implements Deque<E>, Cloneable, Serializable
从ArrayDeque的定义可以看到，它继承AbstractCollection，实现了Deque，Cloneable，Serializable接口。Deque接口在LinkedList中见过，LinkedList也是实现Deque接口的。Deque是一个双端队列，它实现于Queue接口，那么什么是双端队列，就是在队列的同一端即可以入队又可以出队，所以Deque既可以作为队列又可以作为栈使用。但是今天这里是讲Queue队列，所以就只看单向队列的一些原理和实现。
来看下Queue接口：
public interface Queue<E> extends Collection<E> {
// 增加一个元素到队尾，如果队列已满，则抛出一个IIIegaISlabEepeplian异常
boolean add(E e);
// 添加一个元素到队尾并返回true，如果队列已满，则返回false
boolean offer(E e);
// 移除并返回队列头部的元素，如果队列为空，则抛出一个NoSuchElementException异常
E remove();
// 移除并返问队列头部的元素，如果队列为空，则返回null
E poll();
// 返回队列头部的元素，如果队列为空，则抛出一个NoSuchElementException异常
E element();
// 返问队列头部的元素，如果队列为空，则返回null
E peek();
}
看到Queue的定义，发现它和Stack的方法是非常相似的。
但是ArrayDeque并不是一个固定大小的队列，每次队列满了就会进行扩容，除非扩容至超过int的边界，才会抛出异常。所以这里的add和offer几乎是没有区别的。
1.2 底层存储
当然从ArrayDeque的命名就可以看出底层是用数组实现的（而LinkedList则是用链表实现的队列），来主要看一下ArrayDeque
// 底层用数组存储元素
private transient E[] elements;
// 队列的头部元素索引（即将pop出的一个）
private transient int head;
// 队列下一个要添加的元素索引
private transient int tail;
// 最小的初始化容量大小，需要为2的n次幂
private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;
这里需要注意的是MIN_INITIAL_CAPACITY，这个初始化容量必须为2的n次幂。为什么必须要是2的n次幂呢，HashMap要求其底层数组的初始容量必须为2的n次幂。那么ArrayDeque这里又是基于什么考虑呢，我们下面再看。
tail不是最后一个元素的索引，是下一个要添加的元素索引，也就是最后一个元素+1。
1.3 构造方法
/**
* 默认构造方法，数组的初始容量为16
*/
public ArrayDeque() {
elements = (E[]) new Object[16];
}
/** * 使用一个指定的初始容量构造一个ArrayDeque
*/
public ArrayDeque( int numElements) {
allocateElements(numElements);
}
/** * 构造一个指定Collection集合参数的ArrayDeque
*/
public ArrayDeque(Collection<? extends E> c) {
allocateElements(c.size());
addAll(c);
}
/**
* 分配合适容量大小的数组，确保初始容量是大于指定numElements的最小的2的n次幂
*/
private void allocateElements(int numElements) {
int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;
// 找到大于指定容量的最小的2的n次幂
// Find the best power of two to hold elements.
// Tests "<=" because arrays aren't kept full.
// 如果指定的容量小于初始容量8，则执行一下if中的逻辑操作
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];
}
我们来仔细分析一下，回想一下在HashMap中分析过的，2的n次幂和2的n次幂-1的二进制是什么样子的呢，再来看一下：
2^n转换为二进制是什么样子呢：
2^1 = 10 2^2 = 100 2^3 = 1000 2^n = 1(n个0)
再来看下2^n-1的二进制是什么样子的：
2^1 - 1 = 01 2^2 - 1 = 011 2^3 - 1 = 0111 2^n - 1 = 0(n个1)
看下代码initialCapacity++是什么意思呢，就是说initialCapity+1之后才是2的n次幂，那么此时的initialCapacity是什么呢？就是上面的2^n - 1（initialCapacity + 1 = 2^n），也就是说怎么做到使initialCapacity为2^n - 1呢，那就上面的4次>>>和|操作了。
>>>是无符号右移，意思就是将一个操作数转换为二进制后，将后n位移除，高位补0。举个例子：11的二进制1101，11 >>> 2就是：(1)将后两位01移除，(2)高位补0，最后得0011。
|是按位或操作，意思是把两个操作数分别转换为二进制，如果两个操作数的位都有1则为1，全为0则为0，举个例子：两个数8和9的二进制分别为1000和1001，1000 | 1001 = 1001。
理解了>>>和|操作后，再来看下上面代码中的4个>>>和|是什么意思，>>>将一个数低位变为1，|后，最后整个数的二进制都变为1。
举个例子：如果initialCapacity=9，9转换为二进制为：1001，那么经过第一轮>>>1后为：100，然后1001 | 100 = 1101；经过第二轮>>>2后变为：0011，然后1101 | 0011 = 1111，1111转换为10进制+1后等于16（2^4），到此经过这一系列的操作就完成获取大于指定容量最小的2的n次幂。如果给定的initialCapacity够大的话，最终将变为1111111111111111111111111111111（31位1），当然最后为了防止溢出（initialCapacity<0），将initialCapacity右移1位变成2的30次方，那么什么时候initialCapacity会小于0呢，那就是当initialCapacity作为int值<<1越界后。
其实在HashMap中也有这么一个目的的操作，只不过其代码不是这么实现的，它是通过一个循环，每次循环只右移1位。来回忆一下：
// 确保容量为2的n次幂，是capacity为大于initialCapacity的最小的2的n次幂
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
那么这两种方法有什么区别呢？HashMap中的这种写法更容量理解，而ArrayDeque中的效果更高（最多经过4次位移和或操作+1次加一操作）。
1.4 入队（添加元素到队尾）
/** * 增加一个元素，如果队列已满，则抛出一个IIIegaISlabEepeplian异常
*/
public boolean add(E e) {
// 调用addLast方法，将元素添加到队尾
addLast(e);
return true;
}
/** * 添加一个元素
*/
public boolean offer(E e) {
// 调用offerLast方法，将元素添加到队尾
return offerLast(e);
}
/**
* 在队尾添加一个元素
*/ public boolean offerLast(E e) {
// 调用addLast方法，将元素添加到队尾
addLast(e);
return true;
}
/**
* 将元素添加到队尾
*/
public void addLast(E e) {
// 如果元素为null，咋抛出空指针异常
if (e == null)
throw new NullPointerException();
// 将元素e放到数组的tail位置
elements[tail ] = e;
// 判断tail和head是否相等，如果相等则对数组进行扩容
if ( (tail = (tail + 1) & ( elements.length - 1)) == head)
// 进行两倍扩容
doubleCapacity();
}
这里，( (tail = (tail + 1) & ( elements.length - 1)) == head)这句代码是关键，为什么会这样写呢。正常的添加元素后应该是将tail+1对不对，但是队列的删除和添加是不在同一端的，什么意思呢，我们画个图看一下。
我们假设队列的初始容量是8，初始队列添加了4个元素A、B、C、D，分别在数组0、1、2、3的下标位置，如左图，此时的head对应数组下标0，tail对应数组下标4。当队列经过一系列的入队和出队后，就会变成右图的样子，此时的head对应数组下标3，tail对应数组下标7 。那么问题来了，如果这个时候再增加一个元素到数组下标7的位置，此时理论上tail+1=8，也就是已经越界，需要对数组进行扩容了，但是我们看下数组0、1、2的位置由于出队操作，这三个位置是空的，如果此时就进行扩容会造成空间的浪费。
我们回想一下ArrayList为了减少空间浪费，它是怎么做的呢，是通过数组copy，每次删除元素都会将被删除元素索引后面位置的元素向前移动一位。但是这样做又造成了效率不高。怎么办呢，能不能换一种思路，我们可以把数组想象成为一个首尾相连的环，数组的第一个位置索引0的位置和数组的最后一个位置索引length-1的位置是挨在一起的（双向链表）。
需要注意的是head不是数组的第一个位置索引0，tail也不是数组的最后一个位置索引length-1，head和tail实际上是一个指针，随着出队和入队操作不断的移动。如果tail移动到length-1之后，如果数组的第一个位置0没有元素，那么需要将tail指向0，依次向后指向。此时当tail如果等于head的时候会有两种情况，一个是空队列，另一个就是队列将要满了（只有tail处还有空位置），只要判断队列将要满了的时候，就进行数组扩容。
再来回忆下2的n次幂和2的n次幂-1转换成二进制后的样子：
2^n转换为二进制是什么样子呢：
2^1 = 10 2^2 = 100 2^3 = 1000 2^n = 1(n个0)
再来看下2^n-1的二进制是什么样子的：
2^1 - 1 = 01 2^2 - 1 = 011 2^3 - 1 = 0111 2^n - 1 = 0(n个1)
会发现什么，如果(2^n) & (2^n-1) = 0对不对，举个例子，2^3=8和2^3 - 1=7，8和7的二进制分别为1000和0111，1000 & 0111 = 0000，也就是0嘛。
现在再来看这段代码( (tail = (tail + 1) & ( elements.length - 1)) == head)是不是开始理解了，(tail + 1) & ( elements.length - 1)，当tail等于length-1的时候也就是(2^n) & (2^n-1)，此时将结果0赋值给tail，也就是这个时候tail指向了0，印证了前面我们的说法。那么如果tail不是数组的最后一个位置的索引的时候呢，比如tail=5，那么5 & (elements.length - 1)实际上就等于5对不对，因为tail永远不会大于length的，所以当tail不等于length-1的时候，(tail + 1) & ( elements.length - 1)的结果就是tail+1（我们在HashMap中分析过h & (2^n - 1)就相当于h % 2^n）。
所以从这里看，我们就可以将ArrayDeque看做是一个双向循环队列，之所以这里用"看做"这个词，是因为这里只是代码逻辑上"环"，而非存储结构上的"环"。
至此，我们终于明白( (tail = (tail + 1) & ( elements.length - 1)) == head) 这句代码的意义，我们再来总结下这句代码的效果：(1)将tail+1操作，(2)如果tail+1已经越界，则将tail赋值为0，(3)当tail和head指向同一个索引时，则说明需要进行扩容。既然是需要扩容，那么我们就来看看具体是怎么扩容的吧。
/** * 数组将要满了的时候(tail==head)将，数组进行2倍扩容
*/ private void doubleCapacity() {
// 验证head和tail是否相等
assert head == tail;
int p = head ;
// 记录数组的长度
int n = elements .length;
// 计算head后面的元素个数，这里没有采用jdk中自带的英文注释right，是因为所谓队列的上下左右，只是我们看的方位不同而已，如果上面画的图，这里就应该是left而非right
int r = n - p; // number of elements to the right of p
// 将数组长度扩大2倍
int newCapacity = n << 1;
// 如果此时长度小于0，则抛出IllegalStateException异常，什么时候newCapacity会小于0呢，前面我们说过了int值<<1越界
if (newCapacity < 0)
throw new IllegalStateException( "Sorry, deque too big" );
// 创建一个长度是原数组大小2倍的新数组
Object[] a = new Object[newCapacity];
// 将原数组head后的元素都拷贝值新数组
System. arraycopy(elements, p, a, 0, r);
// 将原数组head前的元素都拷贝到新数组
System. arraycopy(elements, 0, a, r, p);
// 将新数组赋值给elements
elements = (E[])a;
// 重置head为数组的第一个位置索引0
head = 0;
// 重置tail为数组的最后一个位置索引+1（(length - 1) + 1）
tail = n;
}
这里需要清除，为什么要进行两次数组copy，因为数组被head分成了两段。。。后面有元素，前面也有元素。。。
1.5 出队（移除并返回队头元素）
/** * 移除并返回队列头部的元素，如果队列为空，则抛出一个NoSuchElementException异常
*/
public E remove() {
// 调用removeFirst方法，移除队头的元素
return removeFirst();
}
/**
* @throws NoSuchElementException {@inheritDoc}
*/
public E removeFirst() {
// 调用pollFirst方法，移除并返回队头的元素
E x = pollFirst();
// 如果队列为空，则抛出NoSuchElementException异常
if (x == null)
throw new NoSuchElementException();
return x;
}
/**
* 移除并返问队列头部的元素，如果队列为空，则返回null
*/
public E poll() {
// 调用pollFirst方法，移除并返回队头的元素
return pollFirst();
}
public E pollFirst() {
int h = head ;
// 取出数组队头位置的元素
E result = elements[h]; // Element is null if deque empty
// 如果数组队头位置没有元素，则返回null值
if (result == null)
return null;
// 将数组队头位置置空，也就是删除元素
elements[h] = null; // Must null out slot
// 将head指针往前移动一个位置
head = (h + 1) & (elements .length - 1);
// 将队头元素返回
return result;
}
pollFirst中的 (h + 1) & (elements . length - 1)相比已经不用再具体解释了吧，不懂的看看上面的解释吧，当然这是为了处理临界的情况。
1.6 返回队头元素（不删除）
/** * 返回队列头部的元素，如果队列为空，则抛出一个NoSuchElementException异常
*/
public E element() {
// 调用getFirst方法，获取队头的元素
return getFirst();
}
/**
* @throws NoSuchElementException {@inheritDoc}
*/
public E getFirst() {
// 取得数组head位置的元素
E x = elements[head ];
// 如果数组head位置的元素为null，则抛出异常
if (x == null)
throw new NoSuchElementException();
return x;
}
/** * 返回队列头部的元素，如果队列为空，则返回null
*/ public E peek() {
// 调用peekFirst方法，获取队头的元素
return peekFirst();
}
public E peekFirst() {
// 取得数组head位置的元素并返回
return elements [head]; // elements[head] is null if deque empty
}
ArrayDeque作为Queue的操作方法，主要的难点则在于要把ArrayDeque看成一个双向循环队列，head和tail指针是如何移动的，又是如果做到环的，如果还不是很明白一定要对照图解多看几遍，并动手做一下位移和或操作。
当然ArrayDeque作为一个双向队列还有一些Deque特有的方法，以及作为Stack的一些方法
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