Collection - Stack & Queue 源码解析

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Collection - Stack & Queue 源码解析

提示

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

[Collection - Stack & Queue 源码解析](#collection - stack & queue 源码解析)
- [Stack & Queue概述](#stack & queue概述)
- Queue
- Deque
- 方法剖析

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 exception | Returns special value
---|---|---
Insert | add(e) | offer(e)
Remove | remove() | poll()
Examine | element() | peek()

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 - Head | | Last Element - Tail |
---|---|---|---|---
| Throws exception | Special value | Throws exception | Special value
Insert | addFirst(e) | offerFirst(e) | addLast(e) | offerLast(e)
Remove | removeFirst() | pollFirst() | removeLast() | pollLast()
Examine | getFirst() | 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 Method	Equivalent Deque Method
add(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 Method	Equivalent 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 Method	Equivalent 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。

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。

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:

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。


    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)];
    }