ArrayDeque 源码分析

ArrayDeque

ArrayDeque 能解决什么问题？什么时候使用 ArrayDeque?

1）Deque 接口大小可变的循环数组实现，ArrayDeque 没有容量限制并会按需增长。
2）ArrayDeque 的容量为 2 的幂，因为索引的计算是通过 & 操作实现的。
3）ArrayDeque 不是线程安全的，ArrayDeque 不允许使用 null 元素。
4）ArrayDeque 的大多数操作基于平摊常数时间，除了 remove* 和 contains。
5）ArrayDeque 返回的 iterator 是快速失败的。

如何使用 ArrayDeque?

1）ArrayDeque 用作栈时，性能优于 Stack，用作队列时，性能优于 LinkedList。

使用 ArrayDeque 有什么风险？

1）ArrayDeque 的容量为 2 的幂，存在一定的内存浪费。

ArrayDeque 核心操作的实现原理？

• 创建实例

    /**
     * ArrayDeque 底层存储元素的对象数组，没有持有元素的 slot 总是 null，
     * 对象数组总是至少有一个可用的 slot（尾部 slot 总是 null）
     */
    transient Object[] elements;

    /**
     * 头部元素的索引
     */
    transient int head;

    /**
     * 尾部元素的索引
     */
    transient int tail;

    /**
     * 创建一个可用容量为 15 的空 ArrayDeque 实例
     */
    public ArrayDeque() {
        elements = new Object[16];
    }

    /**
     * 创建一个可用容量为 numElements 的空 ArrayDeque 实例
     */
    public ArrayDeque(int numElements) {
        elements =
                /**
                 * 1）numElements < 1 时，值为 1
                 * 2）numElements == Integer.MAX_VALUE 时，值为 Integer.MAX_VALUE
                 * 3）否则值为 numElements+1
                 */
                new Object[numElements < 1 ? 1 :
                    numElements == Integer.MAX_VALUE ? Integer.MAX_VALUE :
                        numElements + 1];
    }

单向队列相关操作

• 将元素添加到队列尾部：offer、add

    /**
     * 将元素插入到单向队列尾部
     */
    @Override
    public boolean offer(E e) {
        return offerLast(e);
    }

    /**
     * 将元素插入到双向队列尾部
     */
    @Override
    public boolean offerLast(E e) {
        addLast(e);
        return true;
    }

    /**
     * 将目标元素添加到单向队列尾部
     */
    @Override
    public void addLast(E e) {
        if (e == null) {
            throw new NullPointerException();
        }
        // 读取底层对象数组
        final Object[] es = elements;
        // 由于 tail 总是为 null，可以直接新增元素
        es[tail] = e;
        // 累加尾部索引值，如果尾部和头部索引重叠，则需要执行扩容
        if (head == (tail = ArrayDeque.inc(tail, es.length))) {
            // 底层数组扩容
            grow(1);
        }
    }

    /**
     * 基于 modulus 循环递增目标索引 i
     */
    static final int inc(int i, int modulus) {
        // 如果索引递增后，超出数组的有效索引值，则循环移动到数组头部
        if (++i >= modulus) {
            i = 0;
        }
        return i;
    }

    /**
     * 递增 ArrayDeque 可用容量，以至少能容纳 needed 个新元素
     */
    private void grow(int needed) {
        // 读取旧长度
        final int oldCapacity = elements.length;
        int newCapacity;
        /**
         * 计算需要扩大的容量值
         * 1）旧容量 < 64，则执行【双倍+2】扩容
         * 2）否则执行 1.5 倍向下取整扩容
         */
        final int jump = oldCapacity < 64 ? oldCapacity + 2 : oldCapacity >> 1;
        /**
         * 1）扩容值 < 所需可用容量
         * 2）新容量 > Integer.MAX_VALUE - 8
         */
        if (jump < needed
                || (newCapacity = oldCapacity + jump) - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
            // 进行二次扩容
            newCapacity = newCapacity(needed, jump);
        }
        // 拷贝原数组并写入
        final Object[] es = elements = Arrays.copyOf(elements, newCapacity);
        // Exceptionally, here tail == head needs to be disambiguated
        /**
         * 1）尾部索引在前
         * 2）头部和尾部重合
         * 并且头部元素不为 null
         */
        if (tail < head || tail == head && es[head] != null) {
            // 计算新增加的可用容量值
            final int newSpace = newCapacity - oldCapacity;
            // head 处以及之后的所有元素整体右移 oldCapacity - head 个位置，使得数组元素连续
            System.arraycopy(es, head,
                    es, head + newSpace,
                    oldCapacity - head);
            // 将原来填充元素的 slot 置为 null
            for (int i = head, to = head += newSpace; i < to; i++) {
                es[i] = null;
            }
        }
    }

    /** Capacity calculation for edge conditions, especially overflow. */
    private int newCapacity(int needed, int jump) {
        final int oldCapacity = elements.length, minCapacity;
        // 1）【旧容量+所需新容量】超出，Integer.MAX_VALUE - 8
        if ((minCapacity = oldCapacity + needed) - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
            if (minCapacity < 0) {
                throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
            }
            // 返回 Integer.MAX_VALUE
            return Integer.MAX_VALUE;
        }
        // 2）批量添加集合中元素时触发，所需容量 > 新扩容容量，返回【旧容量+所需容量】
        if (needed > jump) {
            return minCapacity;
        }
        /**
         * 走到这里满足三个条件
         * 1）need <= jump
         * 2）oldCapacity + needed <= MAX_ARRAY_SIZE
         * 3）oldCapacity + jump >= MAX_ARRAY_SIZE
         */
        return oldCapacity + jump - MAX_ARRAY_SIZE < 0
                ? oldCapacity + jump
                        : MAX_ARRAY_SIZE;
    }

    /**
     * 将目标元素添加到单向队列尾部，添加成功返回 true
     */
    @Override
    public boolean add(E e) {
        addLast(e);
        return true;
    }

• 查看队列头部元素：peek、element【单向队列为空时抛出 NoSuchElementException 异常】

    /**
     * 查看单向队列的头部元素
     */
    @Override
    public E peek() {
        return peekFirst();
    }

    @Override
    public E peekFirst() {
        return ArrayDeque.elementAt(elements, head);
    }

    /**
     * 返回底层对象数组中指定索引处的元素
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    static final <E> E elementAt(Object[] es, int i) {
        return (E) es[i];
    }

    /**
     * 单向队列为空时抛出 NoSuchElementException 异常
     */
    @Override
    public E element() {
        return getFirst();
    }

• 移除并返回头部元素：poll、remove【单向队列为空时抛出 NoSuchElementException 异常】

    /**
     * 移除并返回单向队列的头部元素，如果队列为空，则返回 null
     */
    @Override
    public E poll() {
        return pollFirst();
    }

    @Override
    public E pollFirst() {
        final Object[] es;
        final int h;
        // 读取头部元素
        final E e = ArrayDeque.elementAt(es = elements, h = head);
        if (e != null) {
            // 如果元素存在，则将头部置为 null
            es[h] = null;
            // 循环递增头部索引
            head = ArrayDeque.inc(h, es.length);
        }
        return e;
    }

    /**
     * 单向队列为空时抛出 NoSuchElementException 异常
     */
    @Override
    public E remove() {
        return removeFirst();
    }

双向队列相关操作

• 将元素添加到队列头部：offerFirst、addFirst

    /**
     * 将元素插入到双端队列的头部，插入成功返回 true
     */
    @Override
    public boolean offerFirst(E e) {
        addFirst(e);
        return true;
    }

    /**
     * 将元素插入到双端队列的头部
     */
    @Override
    public void addFirst(E e) {
        if (e == null) {
            throw new NullPointerException();
        }
        final Object[] es = elements;
        es[head = ArrayDeque.dec(head, es.length)] = e;
        if (head == tail) {
            grow(1);
        }
    }

    /**
     * 基于 modulus 循环递减目标索引
     */
    static final int dec(int i, int modulus) {
        if (--i < 0) {
            // 如果小于 0，则移动到对象数组尾部
            i = modulus - 1;
        }
        return i;
    }

• 将元素添加到队列尾部：offerLast、addLast

    /**
     * 将元素插入到双端队列尾部，插入成功返回 true
     */
    @Override
    public boolean offerLast(E e) {
        addLast(e);
        return true;
    }

    /**
     * 将目标元素添加到双端队列尾部
     */
    @Override
    public void addLast(E e) {
        if (e == null) {
            throw new NullPointerException();
        }
        // 读取底层对象数组
        final Object[] es = elements;
        // 由于 tail 总是为 null，可以直接新增元素
        es[tail] = e;
        // 累加尾部索引值，如果尾部和头部索引重叠，则需要执行扩容
        if (head == (tail = ArrayDeque.inc(tail, es.length))) {
            // 底层数组扩容
            grow(1);
        }
    }

• 查看队列头部元素：peekFirst、getFirst【双向队列为空时抛出 NoSuchElementException 异常】

    /**
     * 查看双端队列的头部元素
     */
    @Override
    public E peekFirst() {
        return ArrayDeque.elementAt(elements, head);
    }

    /**
     * @throws NoSuchElementException {@inheritDoc}
     */
    @Override
    public E getFirst() {
        final E e = ArrayDeque.elementAt(elements, head);
        if (e == null) {
            throw new NoSuchElementException();
        }
        return e;
    }

• 查看队列尾部元素：peekLast、getLast【双向队列为空时抛出 NoSuchElementException 异常】

    /**
     * 查看双端队列的尾部元素
     */
    @Override
    public E peekLast() {
        final Object[] es;
        // 由于 tail 总是 null，实际的尾部元素在 tail-1 索引处
        return ArrayDeque.elementAt(es = elements, ArrayDeque.dec(tail, es.length));
    }

    /**
     * @throws NoSuchElementException {@inheritDoc}
     */
    @Override
    public E getLast() {
        final Object[] es = elements;
        final E e = ArrayDeque.elementAt(es, ArrayDeque.dec(tail, es.length));
        if (e == null) {
            throw new NoSuchElementException();
        }
        return e;
    }

• 移除并返回队列头部元素:pollFirst、removeFirst【双向队列为空时抛出 NoSuchElementException 异常】

    /**
     * 移除并返回双端队列的头部元素
     */
    @Override
    public E pollFirst() {
        final Object[] es;
        final int h;
        // 读取头部元素
        final E e = ArrayDeque.elementAt(es = elements, h = head);
        if (e != null) {
            // 如果元素存在，则将头部置为 null
            es[h] = null;
            // 循环递增头部索引
            head = ArrayDeque.inc(h, es.length);
        }
        return e;
    }

    /**
     * @throws NoSuchElementException {@inheritDoc}
     */
    @Override
    public E removeFirst() {
        final E e = pollFirst();
        if (e == null) {
            throw new NoSuchElementException();
        }
        return e;
    }

• 移除并返回队列尾部元素：pollLast、removeLast【双向队列为空时抛出 NoSuchElementException 异常】

    /**
     * 移除并返回双端队列的尾部元素
     */
    @Override
    public E pollLast() {
        final Object[] es;
        final int t;
        // 读取尾部元素
        final E e = ArrayDeque.elementAt(es = elements, t = ArrayDeque.dec(tail, es.length));
        if (e != null) {
            // 如果存在，则将其置为 null，同时更新尾部索引
            es[tail = t] = null;
        }
        return e;
    }

    /**
     * @throws NoSuchElementException {@inheritDoc}
     */
    @Override
    public E removeLast() {
        final E e = pollLast();
        if (e == null) {
            throw new NoSuchElementException();
        }
        return e;
    }

栈相关操作

• 入栈

    /**
     * 元素入栈
     */
    @Override
    public void push(E e) {
        addFirst(e);
    }

• 出栈

    /**
     * 元素出栈，如果栈为空，则抛出 NoSuchElementException 异常
     */
    @Override
    public E pop() {
        return removeFirst();
    }

• 查看栈顶元素

    /**
     * 查看单向队列/栈的头部元素
     */
    @Override
    public E peek() {
        return peekFirst();
    }

• 栈长度

    /**
     * 返回 ArrayDeque 中的元素个数
     */
    @Override
    public int size() {
        return ArrayDeque.sub(tail, head, elements.length);
    }

• 是否为空

    /**
     * ArrayDeque 是否为空
     */
    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return head == tail;
    }