Java Review - Queue和Stack 源码解读

简介: Java Review - Queue和Stack 源码解读


Pre

Java Review - ArrayList 源码解读

Java Review - LinkedList源码解读


概述

Java中有Stack类,却没有叫做Queue的类,它是个接口的名字。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)。
抛出异常的方法 带有返回值的方法
Insert add(e) offer(e)
Remove remove poll()
Examine element() 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 . 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:

  • 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。如下
    -
  • 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

  • Deque与Stack对应的接口如下:

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。

一组接口遇到失败就会抛出异常

另一组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。


ArrayDeque

一览

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,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,需要手动同步;
  • ArrayDeque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.


构造函数

/**
     * 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 off
                initialCapacity >>>= 1;// Good luck allocating 2 ^ 30 elements
        }
        return initialCapacity;
    }

三个构造函数

  1. 申请默认大小为16的数组
  2. 提供需要空间大小的有参构造器:利用allocateElements申请空间
  3. 利用现有集合的有参构造器:同样利用allocateElements申请空间,再将现有集合中的元素拷贝到数组中

allocateElements(int numElements) :数组最小空间为8, 如果需要空间小于8,则申请数组大小为8,如果需要空间大于等于8,进行一定的容量扩大,而不只是提供需要数量的空间,防止下一次操作时又要进行扩容


属性

ArrayDeque提供了两个变量来操作数组:head 、 tail.

  • head指向队列的头,tail指向队列尾的下一个位置,队列满的条件就是head == tail.
  • 扩容操作的执行时机:每次在向队列中添加元素以后,不论是在头部还是在尾部添加。
  • 扩容策略:空间是原空间的两倍大,将原来数组中元素拷贝到新数组中,因为是循环队列,可能出现head在tail后面的情况,拷贝到新数组时,从head指向开始拷贝,直到tail,也就是说,拷贝完成后,head指向新数组起始位置,tail指向最后一个元素的下一个位置。

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
    }

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 。

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 ,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。

接下来看扩容的逻辑

/**
     * 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,对应下图中绿色部分
        System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);//复制左半部分,对应下图中灰色部分
        elements = a;
        head = 0;
        tail = n;
    }

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。

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。


addLast()

则调用doubleCapacity()进行扩容。

/**
     * 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
    }

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,如果空间已经用光调用doubleCapacity()进行扩容。


pollFirst()

public E pollFirst() {
    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;
}

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。



pollLast()

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;
}

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。



peekFirst()

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

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



peekLast()

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

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。


相关文章
|
22天前
|
XML Java 编译器
Java注解的底层源码剖析与技术认识
Java注解(Annotation)是Java 5引入的一种新特性,它提供了一种在代码中添加元数据(Metadata)的方式。注解本身并不是代码的一部分,它们不会直接影响代码的执行,但可以在编译、类加载和运行时被读取和处理。注解为开发者提供了一种以非侵入性的方式为代码提供额外信息的手段,这些信息可以用于生成文档、编译时检查、运行时处理等。
59 7
|
1月前
|
数据采集 人工智能 Java
Java产科专科电子病历系统源码
产科专科电子病历系统,全结构化设计,实现产科专科电子病历与院内HIS、LIS、PACS信息系统、区域妇幼信息平台的三级互联互通,系统由门诊系统、住院系统、数据统计模块三部分组成,它管理了孕妇从怀孕开始到生产结束42天一系列医院保健服务信息。
32 4
|
1月前
|
监控 Java 应用服务中间件
高级java面试---spring.factories文件的解析源码API机制
【11月更文挑战第20天】Spring Boot是一个用于快速构建基于Spring框架的应用程序的开源框架。它通过自动配置、起步依赖和内嵌服务器等特性,极大地简化了Spring应用的开发和部署过程。本文将深入探讨Spring Boot的背景历史、业务场景、功能点以及底层原理,并通过Java代码手写模拟Spring Boot的启动过程,特别是spring.factories文件的解析源码API机制。
77 2
|
2月前
|
Java Apache Maven
Java百项管理之新闻管理系统 熟悉java语法——大学生作业 有源码!!!可运行!!!
文章提供了使用Apache POI库在Java中创建和读取Excel文件的详细代码示例,包括写入数据到Excel和从Excel读取数据的方法。
65 6
Java百项管理之新闻管理系统 熟悉java语法——大学生作业 有源码!!!可运行!!!
|
3月前
|
数据采集 运维 前端开发
【Java】全套云HIS源码包含EMR、LIS (医院信息化建设)
系统技术特点:采用前后端分离架构,前端由Angular、JavaScript开发;后端使用Java语言开发。
127 5
|
14天前
|
存储 JavaScript 前端开发
基于 SpringBoot 和 Vue 开发校园点餐订餐外卖跑腿Java源码
一个非常实用的校园外卖系统,基于 SpringBoot 和 Vue 的开发。这一系统源于黑马的外卖案例项目 经过站长的进一步改进和优化,提供了更丰富的功能和更高的可用性。 这个项目的架构设计非常有趣。虽然它采用了SpringBoot和Vue的组合,但并不是一个完全分离的项目。 前端视图通过JS的方式引入了Vue和Element UI,既能利用Vue的快速开发优势,
80 13
|
28天前
|
缓存 监控 Java
Java线程池提交任务流程底层源码与源码解析
【11月更文挑战第30天】嘿,各位技术爱好者们,今天咱们来聊聊Java线程池提交任务的底层源码与源码解析。作为一个资深的Java开发者,我相信你一定对线程池并不陌生。线程池作为并发编程中的一大利器,其重要性不言而喻。今天,我将以对话的方式,带你一步步深入线程池的奥秘,从概述到功能点,再到背景和业务点,最后到底层原理和示例,让你对线程池有一个全新的认识。
55 12
|
22天前
|
JavaScript 安全 Java
java版药品不良反应智能监测系统源码,采用SpringBoot、Vue、MySQL技术开发
基于B/S架构,采用Java、SpringBoot、Vue、MySQL等技术自主研发的ADR智能监测系统,适用于三甲医院,支持二次开发。该系统能自动监测全院患者药物不良反应,通过移动端和PC端实时反馈,提升用药安全。系统涵盖规则管理、监测报告、系统管理三大模块,确保精准、高效地处理ADR事件。
|
1月前
|
人工智能 监控 数据可视化
Java智慧工地信息管理平台源码 智慧工地信息化解决方案SaaS源码 支持二次开发
智慧工地系统是依托物联网、互联网、AI、可视化建立的大数据管理平台,是一种全新的管理模式,能够实现劳务管理、安全施工、绿色施工的智能化和互联网化。围绕施工现场管理的人、机、料、法、环五大维度,以及施工过程管理的进度、质量、安全三大体系为基础应用,实现全面高效的工程管理需求,满足工地多角色、多视角的有效监管,实现工程建设管理的降本增效,为监管平台提供数据支撑。
46 3
|
24天前
|
人工智能 移动开发 安全
家政上门系统用户端、阿姨端源码,java家政管理平台源码
家政上门系统基于互联网技术,整合大数据分析、AI算法和现代通信技术,提供便捷高效的家政服务。涵盖保洁、月嫂、烹饪等多元化服务,支持多终端访问,具备智能匹配、在线支付、订单管理等功能,确保服务透明、安全,适用于家庭生活的各种需求场景,推动家政市场规范化发展。