Java Review - Queue和Stack 源码解读
文章目錄
- Pre
- 概述
- Queue
- Deque
- ArrayDeque
- 一覽
- 構造函數
- 屬性
- 方法
- addFirst()
- addLast()
- pollFirst()
- pollLast()
- peekFirst()
- peekLast()
Pre
Java Review - ArrayList 源碼解讀
Java Review - LinkedList源碼解讀
概述
Java中有Stack類，卻沒有叫做Queue的類，它是個接口的名字。當需要使用棧時，Java已不推薦使用Stack，而是推薦使用更高效的ArrayDeque；
既然Queue只是一個接口，當需要使用隊列時也就首選ArrayDeque了，次選LinkedList。
Queue
Queue接口繼承自Collection接口，除了最基本的Collection的方法之外，它還支持額外的insertion, extraction和inspection操作。
這里有兩組格式，共6個方法，
- 一組是拋出異常的實現；
- 另外一組是返回值的實現(沒有則返回null)。
| Insert | add(e) | offer(e) |
| Remove | remove | poll() |
| Examine | element() | peek |
Deque
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Deque是"double ended queue", 表示雙向的隊列，英文讀作"deck".
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Deque 繼承自 Queue接口，除了支持Queue的方法之外，還支持insert, remove和examine操作
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由于Deque是雙向的，所以可以對隊列的頭和尾都進行操作 . 同時也支持兩組格式，一組是拋出異常的實現；另外一組是返回值的實現(沒有則返回null)。共12個方法如下:
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當把Deque當做FIFO的queue來使用時，元素是從deque的尾部添加，從頭部進行刪除的； 所以deque的部分方法是和queue是等同的。如下
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Deque的含義是“double ended queue”，即雙端隊列，它既可以當作棧使用，也可以當作隊列使用。下表列出了Deque與Queue相對應的接
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Deque與Stack對應的接口如下：
上面兩個表共定義了Deque的12個接口。
添加，刪除，取值都有兩套接口，它們功能相同，區別是對失敗情況的處理不同。
一組接口遇到失敗就會拋出異常
另一組遇到失敗會返回特殊值(false或null)。
除非某種實現對容量有限制，大多數情況下，添加操作是不會失敗的。雖然Deque的接口有12個之多，但無非就是對容器的兩端進行操作，或添加，或刪除，或查看。
ArrayDeque
一覽
ArrayDeque和LinkedList是Deque的兩個通用實現，由于官方更推薦使用AarryDeque用作棧和隊列，著重講解ArrayDeque的具體實現。
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從名字可以看出ArrayDeque底層通過數組實現，為了滿足可以同時在數組兩端插入或刪除元素的需求，該數組還必須是循環的，即循環數組(circular array)，也就是說數組的任何一點都可能被看作起點或者終點。
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ArrayDeque是非線程安全的(not thread-safe)，當多個線程同時使用的時候，需要手動同步；
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ArrayDeque不允許放入null元素
上圖中我們看到，head指向首端第一個有效元素，tail指向尾端第一個可以插入元素的空位。因為是循環數組，所以head不一定總等于0，tail也不一定總是比head大.
構造函數
/*** 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;}三個構造函數
allocateElements(int numElements) ：數組最小空間為8， 如果需要空間小于8，則申請數組大小為8，如果需要空間大于等于8，進行一定的容量擴大，而不只是提供需要數量的空間，防止下一次操作時又要進行擴容
屬性
ArrayDeque提供了兩個變量來操作數組：head 、 tail.
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head指向隊列的頭，tail指向隊列尾的下一個位置，隊列滿的條件就是head == tail.
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擴容操作的執行時機：每次在向隊列中添加元素以后，不論是在頭部還是在尾部添加。
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擴容策略：空間是原空間的兩倍大，將原來數組中元素拷貝到新數組中，因為是循環隊列，可能出現head在tail后面的情況，拷貝到新數組時，從head指向開始拷貝，直到tail,也就是說，拷貝完成后，head指向新數組起始位置，tail指向最后一個元素的下一個位置。
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) //不允許放入nullthrow new NullPointerException();elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e; //2.下標是否越界if (head == tail)//1.空間是否夠用doubleCapacity();//擴容}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，在空間足夠且下標沒有越界的情況下，只需要將elements[–head] = e即可 。
上述代碼我們看到，空間問題是在插入之后解決的，因為tail總是指向下一個可插入的空位，也就意味著elements數組至少有一個空位，所以插入元素的時候不用考慮空間問題。
下標越界的處理 ，head = (head - 1) & (elements.length - 1)就可以了，這段代碼相當于取余，同時解決了head為負值的情況。
因為elements.length必需是2的指數倍，elements - 1就是二進制低位全1，跟head - 1相與之后就起到了取模的作用，如果head - 1為負數(其實只可能是-1)，則相當于對其取相對于elements.length的補碼。
接下來看擴容的邏輯
/*** 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右邊元素的個數int newCapacity = n << 1; //原空間的2倍if (newCapacity < 0)throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");Object[] a = new Object[newCapacity];System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);//復制右半部分，對應下圖中綠色部分System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);//復制左半部分，對應下圖中灰色部分elements = a;head = 0;tail = n;}其邏輯是申請一個更大的數組(原數組的兩倍)，然后將原數組復制過去。
圖中我們看到，復制分兩次進行，第一次復制head右邊的元素，第二次復制head左邊的元素。
addLast()
則調用doubleCapacity()進行擴容。
/*** 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) //不允許放入nullthrow new NullPointerException();elements[tail] = e; //賦值if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head) //下標越界處理doubleCapacity();//擴容}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總是指向下一個可以插入的空位，因此只需要elements[tail] = e;即可。插入完成后再檢查空間，如果空間已經用光調用doubleCapacity()進行擴容。
pollFirst()
public E pollFirst() {E result = elements[head];if (result == null)//null值意味著deque為空return null;elements[h] = null;//let GC workhead = (head + 1) & (elements.length - 1);//下標越界處理return result; }pollFirst()的作用是刪除并返回Deque首端元素，也即是head位置處的元素。
如果容器不空，只需要直接返回elements[head]即可，當然還需要處理下標的問題。由于ArrayDeque中不允許放入null，當elements[head] == null時，意味著容器為空。
pollLast()
public E pollLast() {int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);//tail的上一個位置是最后一個元素E result = elements[t];if (result == null)//null值意味著deque為空return null;elements[t] = null;//let GC worktail = t;return result; }pollLast()的作用是刪除并返回Deque尾端元素，也即是tail位置前面的那個元素。
peekFirst()
public E peekFirst() {return elements[head]; // elements[head] is null if deque empty }peekFirst()的作用是返回但不刪除Deque首端元素，也即是head位置處的元素，直接返回elements[head]即可
peekLast()
public E peekLast() {return elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)]; }peekLast()的作用是返回但不刪除Deque尾端元素，也即是tail位置前面的那個元素。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Java Review - Queue和Stack 源码解读的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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