Collection - Stack & Queue 源码解析

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Collection - Stack & Queue 源码解析

本文主要对Collection - Stack & Queue进行源码解析。@pdai

Stack & Queue概述

Java里有一个叫做_Stack_的类，却没有叫做_Queue_的类(它是个接口名字)。当需要使用栈时，Java已不推荐使用_Stack_，而是推荐使用更高效的_ArrayDeque_；既然_Queue_只是一个接口，当需要使用队列时也就首选_ArrayDeque_了(次选是_LinkedList_)。

Queue

Queue_接口继承自Collection接口，除了最基本的Collection的方法之外，它还支持额外的_insertion, _extraction_和_inspection_操作。这里有两组格式，共6个方法，一组是抛出异常的实现；另外一组是返回值的实现(没有则返回null)。

Throws exceptionReturns special valueInsertadd(e)offer(e)Removeremove()poll()Examineelement()peek()

Deque

Deque是"double ended queue", 表示双向的队列，英文读作"deck". Deque 继承自 Queue接口，除了支持Queue的方法之外，还支持insert, remove和examine操作，由于Deque是双向的，所以可以对队列的头和尾都进行操作，它同时也支持两组格式，一组是抛出异常的实现；另外一组是返回值的实现(没有则返回null)。共12个方法如下:

First Element - HeadLast Element - TailThrows exceptionSpecial valueThrows exceptionSpecial valueInsertaddFirst(e)offerFirst(e)addLast(e)offerLast(e)RemoveremoveFirst()pollFirst()removeLast()pollLast()ExaminegetFirst()peekFirst()getLast()peekLast()当把Deque当做FIFO的queue来使用时，元素是从deque的尾部添加，从头部进行删除的； 所以deque的部分方法是和queue是等同的。具体如下:

Queue MethodEquivalent Deque Methodadd(e)addLast(e)offer(e)offerLast(e)remove()removeFirst()poll()pollFirst()element()getFirst()peek()peekFirst()_Deque_的含义是“double ended queue”，即双端队列，它既可以当作栈使用，也可以当作队列使用。下表列出了_Deque_与_Queue_相对应的接口:

Queue MethodEquivalent Deque Method说明add(e)``addLast(e)向队尾插入元素，失败则抛出异常offer(e)``offerLast(e)向队尾插入元素，失败则返回false``remove()``removeFirst()获取并删除队首元素，失败则抛出异常poll()``pollFirst()获取并删除队首元素，失败则返回null``element()``getFirst()获取但不删除队首元素，失败则抛出异常peek()``peekFirst()获取但不删除队首元素，失败则返回null下表列出了_Deque_与_Stack_对应的接口:

Stack MethodEquivalent Deque Method说明push(e)``addFirst(e)向栈顶插入元素，失败则抛出异常无offerFirst(e)向栈顶插入元素，失败则返回false``pop()``removeFirst()获取并删除栈顶元素，失败则抛出异常无pollFirst()获取并删除栈顶元素，失败则返回null``peek()``getFirst()获取但不删除栈顶元素，失败则抛出异常无peekFirst()获取但不删除栈顶元素，失败则返回null上面两个表共定义了_Deque_的12个接口。添加，删除，取值都有两套接口，它们功能相同，区别是对失败情况的处理不同。一套接口遇到失败就会抛出异常，另一套遇到失败会返回特殊值(false或null)。除非某种实现对容量有限制，大多数情况下，添加操作是不会失败的。虽然_Deque_的接口有12个之多，但无非就是对容器的两端进行操作，或添加，或删除，或查看。明白了这一点讲解起来就会非常简单。

ArrayDeque_和_LinkedList_是_Deque_的两个通用实现，由于官方更推荐使用_AarryDeque_用作栈和队列，加之上一篇已经讲解过_LinkedList，本文将着重讲解_ArrayDeque_的具体实现。

从名字可以看出_ArrayDeque_底层通过数组实现，为了满足可以同时在数组两端插入或删除元素的需求，该数组还必须是循环的，即循环数组(circular array)，也就是说数组的任何一点都可能被看作起点或者终点。_ArrayDeque_是非线程安全的(not thread-safe)，当多个线程同时使用的时候，需要程序员手动同步；另外，该容器不允许放入null元素。

ArrayDeque_base.png
ArrayDeque_base.png

上图中我们看到，head指向首端第一个有效元素，tail指向尾端第一个可以插入元素的空位。因为是循环数组，所以head不一定总等于0，tail也不一定总是比head大。

方法剖析

addFirst()

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，在空间足够且下标没有越界的情况下，只需要将elements[--head] = e即可。

ArrayDeque_addFirst.png
ArrayDeque_addFirst.png

实际需要考虑: 1.空间是否够用，以及2.下标是否越界的问题。上图中，如果head为0之后接着调用addFirst()，虽然空余空间还够用，但head为-1，下标越界了。下列代码很好的解决了这两个问题。

    //addFirst(E e)
    public void addFirst(E e) {
        if (e == null)//不允许放入null
            throw new NullPointerException();
        elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;//2.下标是否越界
        if (head == tail)//1.空间是否够用
            doubleCapacity();//扩容
    }

上述代码我们看到，空间问题是在插入之后解决的，因为tail总是指向下一个可插入的空位，也就意味着elements数组至少有一个空位，所以插入元素的时候不用考虑空间问题。

下标越界的处理解决起来非常简单，head = (head - 1) & (elements.length - 1)就可以了，这段代码相当于取余，同时解决了head为负值的情况。因为elements.length必需是2的指数倍，elements - 1就是二进制低位全1，跟head - 1相与之后就起到了取模的作用，如果head - 1为负数(其实只可能是-1)，则相当于对其取相对于elements.length的补码。

下面再说说扩容函数doubleCapacity()，其逻辑是申请一个更大的数组(原数组的两倍)，然后将原数组复制过去。过程如下图所示:

ArrayDeque_doubleCapacity.png
ArrayDeque_doubleCapacity.png

图中我们看到，复制分两次进行，第一次复制head右边的元素，第二次复制head左边的元素。

    //doubleCapacity()
    private void doubleCapacity() {
        assert head == tail;
        int p = head;
        int n = elements.length;
        int r = n - p; // head右边元素的个数
        int newCapacity = n << 1;//原空间的2倍
        if (newCapacity < 0)
            throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
        Object[] a = new Object[newCapacity];
        System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);//复制右半部分，对应上图中绿色部分
        System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);//复制左半部分，对应上图中灰色部分
        elements = (E[])a;
        head = 0;
        tail = n;
    }

addLast()

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总是指向下一个可以插入的空位，因此只需要elements[tail] = e;即可。插入完成后再检查空间，如果空间已经用光，则调用doubleCapacity()进行扩容。

ArrayDeque_addLast.png
ArrayDeque_addLast.png
    public void addLast(E e) {
        if (e == null)//不允许放入null
            throw new NullPointerException();
        elements[tail] = e;//赋值
        if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)//下标越界处理
            doubleCapacity();//扩容
    }

下标越界处理方式addFirt()中已经讲过，不再赘述。

pollFirst()

pollFirst()的作用是删除并返回_Deque_首端元素，也即是head位置处的元素。如果容器不空，只需要直接返回elements[head]即可，当然还需要处理下标的问题。由于ArrayDeque中不允许放入null，当elements[head] == null时，意味着容器为空。

    public E pollFirst() {
        int h = head;
        E result = elements[head];
        if (result == null)//null值意味着deque为空
            return null;
        elements[h] = null;//let GC work
        head = (head + 1) & (elements.length - 1);//下标越界处理
        return result;
    }

pollLast()

pollLast()的作用是删除并返回_Deque_尾端元素，也即是tail位置前面的那个元素。

    public E pollLast() {
        int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);//tail的上一个位置是最后一个元素
        E result = elements[t];
        if (result == null)//null值意味着deque为空
            return null;
        elements[t] = null;//let GC work
        tail = t;
        return result;
    }

peekFirst()

peekFirst()的作用是返回但不删除_Deque_首端元素，也即是head位置处的元素，直接返回elements[head]即可。

    public E peekFirst() {
        return elements[head]; // elements[head] is null if deque empty
    }

peekLast()

peekLast()的作用是返回但不删除_Deque_尾端元素，也即是tail位置前面的那个元素。

    public E peekLast() {
        return elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)];
    }
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贡献者: javatodo