源码|jdk源码之栈、队列及ArrayDeque分析

摘要：栈队列双端队列都是非常经典的数据结构。结合了栈和队列的特点。因此，在中，有栈的使用需求时，使用代替。迭代器之前源码源码之与字段中分析过，容器的实现中，所有修改过容器结构的操作都需要修改字段。

栈、队列、双端队列都是非常经典的数据结构。和链表、数组不同，这三种数据结构的抽象层次更高。它只描述了数据结构有哪些行为，而并不关心数据结构内部用何种思路、方式去组织。
本篇博文重点关注这三种数据结构在java中的对应设计，并且对ArrayDeque的源码进行分析。

先来简单回顾下大学时的数据结构知识。

什么是栈？数据排成一个有序的序列，只能从一个口弹出数据或加入数据。即后进先出（LIFO）。

什么是队列？数据同样排成一个有序的序列，数据只能在队尾加入，在队头弹出。即先进先出（FIFO）。

什么是双端队列？数据同样排成一个有序的序列，只能从前后两个口插入或删除数据。结合了栈和队列的特点。

这三样东西都可以通过数组或链表来实现。从这种表述就能发现，似乎链表和数组比这三个更“偏底层”。
仔细思考不难发现，栈、队列、双端队列仅仅是描述了接口行为，是一种抽象数据类型；而数组、链表则描述的是数据的具体在内存中的组织方式。

public
class Stack extends Vector {
    /* */
}

java的确有一个叫做Stack的类，它继承自Vector。
个人以为，jdk的这种设计不是很妥当。前面分析过，Stack从概念上是一种抽象数据类型，可以有多种实现方式。因此，将其设计为接口更为合适。
jdk的这种设计导致：

Stack只有数组这一种实现方式，没有办法改用其它的实现方式。

Stack继承自Vector，耦合太紧，同时拥有Vector的大量不属于Stack模型的方法，破坏隐藏。

此外，Vector本身现在已经不建议使用了。

而且，jdk自己也说了，Stack这个类，设计的不好，不推荐使用：

 * 
A more complete and consistent set of LIFO stack operations is
 * provided by the {@link Deque} interface and its implementations, which
 * should be used in preference to this class.  For example:
 *   Deque stack = new ArrayDeque();}

好在Deque像是栈和队列的组合，也能当栈使用。因此，在java中，有栈的使用需求时，使用Deque代替。

而且，偶然间在jdk中看到这样一个工具函数Collections.asLifoQueue：

public static  Queue asLifoQueue(Deque deque) {
    return new AsLIFOQueue<>(deque);
}

它将Deque包装成一个Lifo的队列。LIFO？那不就是栈么！也就是说，得到的虽然是Queue接口，但是行为是LIFO。

public interface Queue extends Collection {
    /* ... */
}

jdk中队列的设计没有什么问题，是一个接口。
虽然名字叫Queue，但是这个jdk中Queue接口指代的范围更广。从它的子接口及实现类来看，有这样几种含义：

FIFO队列。也就是数据结构中的先进先出队列。

优先队列。也就是数据结构中的大顶堆或小顶堆。

阻塞队列。也是队列，只不过某些方法在没有元素时或队满时会阻塞，并发中使用的一种结构。

再来看它的几种实现：

FIFO队列。FIFO队列的实现其实是按照Deque实现的了，有LinkedList和ArrayDeque。

优先队列。PriorityQueue。

阻塞队列。这个和并发关系更大，这里先不谈。

双端队列的定义也是接口：

public interface Deque extends Queue {
    /* ... */
}

Deque也是Queue，Deque也能当Queue用，没有太多额外开销。所以jdk没有多带带实现Queue。

Deque有两种实现类：

LinkedList。也就是链表，java的链表同时实现了Deque。

ArrayDeque。Deque的数组实现。为什么不在ArrayList中一把实现Deque接口？

也很简单，实现方式不同。

Deque也有阻塞队列版本的实现，这里也先不谈。

我先来总结下ArrayDeque的实现思路。

首先，ArrayDeque内部是拥有一个内部数组用于存储数据。
其次，假设采用简单的方案，即队列数组按顺序在数组里排开，那么：

由于ArrayDeque的两端都能增删数据，那么把数据插入到队列头部也就是数组头部，会造成O(N)的时间复杂度。

假设只再队尾加入而只从队头删除，队头就会空出越来越多的空间。

那么该怎么实现？也很简单。将物理上的连续数组回绕，形成逻辑上的一个 环形结构。即a[size - 1]的下一个位置是a[0].
之后，使用头尾指针标识队列头尾，在队列头尾增删元素，反映在头尾指针上就是这两个指针绕着环赛跑。

这个是大体思路，具体的还有一些细节，后面代码里分析：

head和tail的具体概念是如何界定？

如果判断队满和队空？

数组满了怎么办？

先来看内部属性。elements域就是存储数据的原生数组。
head和tail分别分别为头尾指针。

    transient Object[] elements; // non-private to simplify nested class access

    transient int head;

    transient int tail;

    public ArrayDeque() {
        elements = new Object[16];
    }

    public ArrayDeque(int numElements) {
        allocateElements(numElements);
    }

    private void allocateElements(int numElements) {
        elements = new Object[calculateSize(numElements)];
    }

如果没有指定内部数组的初始大小，默认为16.

如果指定了内部数组的初始大小，则通过calculateSize函数二次计算出大小。

来看calculateSize函数：

    private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;

    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 off
                initialCapacity >>>= 1;// Good luck allocating 2 ^ 30 elements
        }
        return initialCapacity;
    }

如果小于8，那么大小就为8.

如果大于等于8，则按照2的幂对齐。

看两个入队方法：

    public void addFirst(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
        if (head == tail)
            doubleCapacity();
    }

    public void addLast(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        elements[tail] = e;
        if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
            doubleCapacity();
    }

addFirst是从队头插入，addLast是从队尾插入。

从该代码能够分析出head和tail指针的含义：

head指针指向的是队头元素的位置，除非队列为空。

tail指针指向的是队尾元素后一格的位置，即尾后指针。

因此：

如果队列没有满，tail指向的是空位置，head指向的是队头元素，永远不可能一样。

但是当队列满时，tail回绕会追上head，当tail等于head时，表示队列满了。

理清楚了这一点，上面的代码也就十分容易理解了：

对应位置插入位置，移动指针。

当tail和head相等时，扩容。

最后，这句：

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

曾经在《源码|jdk源码之HashMap分析(二)》中分析过，假如被余数是2的幂次方，那么模运算就能够优化成按位与运算。
也即相当于：

(head - 1) % elements.length

    public E pollFirst() {
        int h = head;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E result = (E) 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;
    }

    public E pollLast() {
        int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E result = (E) elements[t];
        if (result == null)
            return null;
        elements[t] = null;
        tail = t;
        return result;
    }

出队的代码很显然，不多解释。

    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;
        // 扩容后的大小小于0（溢出），也即队列最大应该是2的30次方
        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 = a;
        head = 0;
        tail = n;
    }

扩容的实现为按 两倍 扩容原数组，将原数倍拷贝过去。
其中值得注意的是对数组大小溢出的处理。

之前《源码|jdk源码之LinkedList与modCount字段》中分析过，
容器的实现中，所有修改过容器结构的操作都需要修改modCount字段。
这样迭代器迭代过程中，通过前后比对该字段来判断容器是否被动过，及时抛出异常终止迭代以免造成不可预测的问题。

不过，在ArrayDeque的插入方法中并没有修改modeCount字段。从ArrayDeque的迭代器的实现中可以看出来：

    private class DeqIterator implements Iterator {
        /**
         * Index of element to be returned by subsequent call to next.
         */
        private int cursor = head;

        /**
         * Tail recorded at construction (also in remove), to stop
         * iterator and also to check for comodification.
         */
        private int fence = tail;
    }

原来，ArrayDeque直接使用了head和tail头尾指针，就能判断出迭代过程中是否发生了变化。