Java之集合(二)ArrayDeque

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1.前言

　　上章讲解了Java中的集合接口和相关实现抽象类，本章开始介绍一些具体的实现类，第一个介绍的就是继承自抽象类AbstractCollection的实现类ArrayDeque，其同时实现了Deque接口。Queue的结构是一个单端的队列，从一端进另一端出，Deque是一个双端队列。而ArrayDeque是一个使用循环数组实现的双端队列了。双端队列可以实现单端队列的先入先出的方式，也可以实现栈结构的先入后出的方式，使用比较灵活，看具体需求。ArrayDeque是线程非安全的，所以如果需要实现线程安全，就需要自己处理了。

2.实现讲解

2.1 接口

　　Deque接口在上章没有讲解，先从这里开始说明。该接口继承了Queue接口，而且由于其是双端队列，所以自然而然有如下接口：

　　这些接口看名称也很容易理解，操作首端和尾端对应的add、offer、remove、poll、element、peek这些方法。除了上面的这些接口，还定义了两个接口：push、pop。这两个接口用于当双端队列作为栈的形式使用时的入栈、出栈接口。剩下的一个接口就是descendingIterator接口了，其提供了一个倒序的迭代器。

2.2 ArrayDeque

　　循环数组的双端队列实现起来非常简单，里面的数据结构就只有下图：

　　一个数组，一个指向头的下标，一个指向尾的下标。就这么一个简单的结构实现了双端队列。值得注意的是数组的大小必须是2ⁿ，为何这么做网上说是由于内存的分配是以2的幂指数个页帧为单位进行的，标准的内存分配大小是4K，用2的幂指数为大小分配空间有利于内存管理。可能是由于这个问题，而我更想讲解的是其是如何保证输入的值是2ⁿ的。看下面的代码：

　　这一段代码乍一看感觉有些莫名其妙，但是正是由于这段代码保证了其分配的数组大小是2ⁿ。这段代码所计算的是：输入一个数字X计算X<Y=2ⁿ，使这个等式成立时n取最小的时候Y的值，Y就是分配的数组大小了。所以不管你输入多少（超过Java整数范围除外），最终会满足这个公式使得最终分配的结果是2ⁿ。上段代码所实现的功能知道了，但是其这么实现的具体原理是什么呢？如下：

　　1.要明确2ⁿ使用二进制的表现形式如下：0...010...0，中间有一个1，其它的都是0。

　　2.根据1的形式，计算使输入任意的X，等式成立的Y。X的二进制形式为????????，是一个未知数，这样如何求得Y呢？方法很简单，找到X最高位为1的位置：那么X就是0..001???，这种形式了。那么所求的Y就是0..010...0，其值就是比X最高位为1再高一位为1，其它位为0的值。

　　3.X的最高为1的那一位是未知的，如何求更高一位为1的Y呢？直接求是没有办法的，但是可以通过将X最高位为1后面所有位都变成1，再加1进位的方式办到。就是0..001???变成0.001..1，使用这个+1就会变成所要的Y：0.010...0了。

　　4.如何保证X最高位为1后面都是1呢？这个就是上面位运算所实现的内容了。假设X是0..01???，左移一位就是0.001??，做或运算就变成了0..011??，是不是很巧妙，出现了两位为1的就移动2位，获得四位为1的值，这样移动到16的时候就涵盖了32位整数的所有范围了。这个时候+1可能发生整数溢出，所以再左移一位保证在整数范围内。

　　以8位整数为例，假设输入的是8：00001000，运算过程如下：

　　这样就算出来了结果。循环列表扩容代码如下：

　　一个循环数组扩容时，先把队列头右边的放入扩容后的数组，再把队列头左边的内容放入数组后面。

　　关于循环数组的操作，其实了解队列的应该也很清楚，就是从头端入就是element[head-1]=Object，从尾端入就是element[tail+1]=Object。出也是对应的，然后就是对head和tail的值进行修改而已，其它的都不难理解，看代码就能清楚了。这里有一个问题就是数组越界的问题，-1或+1都会超过数组的长度，按照循环列表应该定位到数组的尾部或者头部，这里代码中借助了数组长度是2ⁿ，解决了这个问题。就是：得到的值 & (elements.length - 1)，这样就保证了在数组范围内，且是正确的位置。这个很好理解，不做介绍。

2.3 操作图

　　这就是整个添加和扩容的流程了。移除的方法是一样的，就不再画图描述了。