揭秘 Java ArrayDeque：从源码到原理的深度剖析

揭秘 Java ArrayDeque：从源码到原理的深度剖析

一、引言

在 Java 编程的世界里，数据结构是构建高效程序的基石。ArrayDeque 作为 Java 集合框架中的一员，是一个功能强大且性能卓越的双端队列实现。它既可以当作栈来使用，也能作为普通队列使用，还支持从队列的两端进行高效的插入和删除操作。

对于开发者而言，深入理解 ArrayDeque 的使用原理不仅有助于在实际项目中更加合理地运用它，还能提升对 Java 集合框架设计思想的认识。本文将带领大家深入到 ArrayDeque 的源码层面，详细剖析其内部结构、核心操作以及性能特点，让你对 ArrayDeque 有一个全方位的认识。

二、ArrayDeque 概述

2.1 基本概念

ArrayDeque 是一个基于数组实现的双端队列（Deque），它支持在队列的两端进行元素的插入和删除操作。双端队列是一种特殊的队列，它允许在队列的头部和尾部进行高效的元素添加和移除操作，这使得 ArrayDeque 既可以作为栈使用（后进先出，LIFO），也可以作为普通队列使用（先进先出，FIFO）。

2.2 继承关系与接口实现

下面是 ArrayDeque 类的定义以及它的继承关系和接口实现：

// ArrayDeque 类继承自 AbstractCollection 类，AbstractCollection 是一个抽象类，实现了 Collection 接口的部分方法
// 同时，ArrayDeque 实现了 Deque 接口，表明它是一个双端队列
// 还实现了 Cloneable 接口，意味着它可以被克隆
// 以及 Serializable 接口，说明它可以被序列化
public class ArrayDeque<E> extends AbstractCollection<E>
                           implements Deque<E>, Cloneable, Serializable
{
    // 类的具体实现将在后续详细分析
}

从上述代码可以看出，ArrayDeque 继承自 AbstractCollection 类，继承了该类中实现的 Collection 接口的部分方法。同时，它实现了 Deque 接口，这使得它具备了双端队列的特性，支持在队列的两端进行元素的操作。此外，它还实现了 Cloneable 和 Serializable 接口，分别支持对象的克隆和序列化。

2.3 与其他队列的对比

在 Java 中，还有其他一些队列实现，如 LinkedList、PriorityQueue 等，它们与 ArrayDeque 的主要区别如下：

• LinkedList ：是一个基于链表实现的双端队列，插入和删除操作的时间复杂度为 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> O ( 1 ) O(1) </math>O(1)，但随机访问的性能较差。而 ArrayDeque 基于数组实现，随机访问的性能较好，插入和删除操作在大多数情况下也能达到 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> O ( 1 ) O(1) </math>O(1) 的时间复杂度。
• PriorityQueue ：是一个优先队列，元素按照优先级进行排序，每次取出的元素是优先级最高（或最低）的元素。而 ArrayDeque 不考虑元素的优先级，只是按照元素的插入顺序进行操作。

三、ArrayDeque 的内部结构

3.1 核心属性

ArrayDeque 类有几个核心属性，用于存储元素和管理队列的状态。以下是这些核心属性的源码及注释：

// 存储队列元素的数组，数组的长度总是 2 的幂次方
transient Object[] elements; 

// 队列头部元素的索引
transient int head;

// 队列尾部元素的下一个位置的索引
transient int tail;

// 数组的最小初始容量，必须是 2 的幂次方
private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;

• elements：用于存储队列元素的数组，数组的长度总是 2 的幂次方。这是为了方便使用位运算来进行索引的计算，提高性能。
• head：队列头部元素的索引，指向队列的第一个元素。
• tail：队列尾部元素的下一个位置的索引，指向队列中最后一个元素的下一个位置。
• MIN_INITIAL_CAPACITY：数组的最小初始容量，必须是 2 的幂次方，这里设置为 8。

3.2 构造函数

ArrayDeque 类提供了多个构造函数，用于创建不同初始状态的双端队列。以下是几个主要构造函数的源码及注释：

// 默认构造函数，创建一个初始容量为 16 的双端队列
public ArrayDeque() {
    // 初始化元素数组，初始容量为 16
    elements = new Object[16];
}

// 创建一个指定初始容量的双端队列
public ArrayDeque(int numElements) {
    // 调用 allocateElements 方法根据指定的元素数量分配合适的数组容量
    elements = allocateElements(numElements);
}

// 创建一个包含指定集合元素的双端队列
public ArrayDeque(Collection<? extends E> c) {
    // 调用 allocateElements 方法根据集合的大小分配合适的数组容量
    elements = allocateElements(c.size());
    // 调用 addAll 方法将集合中的元素添加到双端队列中
    addAll(c);
}

// 根据指定的元素数量分配合适的数组容量
private static int calculateSize(int numElements) {
    // 最小初始容量为 8
    int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;
    // 如果指定的元素数量大于等于最小初始容量
    if (numElements >= initialCapacity) {
        // 初始化初始容量为指定元素数量
        initialCapacity = numElements;
        // 将初始容量调整为 2 的幂次方
        initialCapacity |= (initialCapacity >>>  1);
        initialCapacity |= (initialCapacity >>>  2);
        initialCapacity |= (initialCapacity >>>  4);
        initialCapacity |= (initialCapacity >>>  8);
        initialCapacity |= (initialCapacity >>> 16);
        initialCapacity++;

        // 如果调整后的容量小于 0，将容量缩小一半
        if (initialCapacity < 0)   
            initialCapacity >>>= 1;
    }
    return initialCapacity;
}

// 分配存储元素的数组
private Object[] allocateElements(int numElements) {
    // 调用 calculateSize 方法计算合适的数组容量
    int initialCapacity = calculateSize(numElements);
    // 创建指定容量的数组
    return new Object[initialCapacity];
}

这些构造函数提供了多种方式来创建 ArrayDeque。默认构造函数创建一个初始容量为 16 的双端队列；ArrayDeque(int numElements) 构造函数根据指定的元素数量分配合适的数组容量；ArrayDeque(Collection<? extends E> c) 构造函数创建一个包含指定集合元素的双端队列。calculateSize 方法用于将指定的元素数量调整为 2 的幂次方，以满足数组容量的要求。

3.3 循环数组结构

ArrayDeque 使用循环数组来实现双端队列的功能。循环数组是一种特殊的数组结构，当数组的尾部达到数组的末尾时，下一个元素会插入到数组的头部，形成一个循环。在 ArrayDeque 中，通过 head 和 tail 两个索引来管理循环数组的头部和尾部。

例如，当 tail 索引达到数组的末尾时，下一个元素会插入到数组的头部，即 tail = 0。同样，当 head 索引达到数组的末尾时，下一个元素会从数组的头部开始移除。通过这种方式，ArrayDeque 可以高效地在队列的两端进行元素的插入和删除操作。

以下是一个简单的示例，展示了循环数组的工作原理：

// 假设我们有一个长度为 8 的数组
Object[] array = new Object[8];
// 初始化 head 和 tail 索引
int head = 0;
int tail = 0;

// 向队列中添加元素
array[tail] = "Element 1";
tail = (tail + 1) & (array.length - 1); // 使用位运算计算新的 tail 索引
array[tail] = "Element 2";
tail = (tail + 1) & (array.length - 1);

// 从队列中移除元素
Object element = array[head];
head = (head + 1) & (array.length - 1); // 使用位运算计算新的 head 索引

System.out.println("Removed element: " + element);

在上述示例中，使用位运算 (index + 1) & (array.length - 1) 来计算新的 head 和 tail 索引，确保索引在数组的有效范围内循环。

四、基本操作的源码分析

4.1 插入操作

4.1.1 addFirst(E e) 方法

addFirst(E e) 方法用于在队列的头部插入一个元素。以下是该方法的源码及注释：

// 在队列的头部插入一个元素
public void addFirst(E e) {
    // 如果插入的元素为 null，抛出 NullPointerException 异常
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
    // 计算新的 head 索引，使用位运算确保索引在数组范围内循环
    elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
    // 如果 head 索引等于 tail 索引，说明数组已满，需要进行扩容
    if (head == tail)
        doubleCapacity();
}

• 首先，检查插入的元素是否为 null，如果为 null，抛出 NullPointerException 异常。
• 然后，使用 (head - 1) & (elements.length - 1) 计算新的 head 索引，将元素插入到新的 head 位置。
• 最后，检查 head 索引是否等于 tail 索引，如果相等，说明数组已满，调用 doubleCapacity 方法进行扩容。

4.1.2 addLast(E e) 方法

addLast(E e) 方法用于在队列的尾部插入一个元素。以下是该方法的源码及注释：

// 在队列的尾部插入一个元素
public void addLast(E e) {
    // 如果插入的元素为 null，抛出 NullPointerException 异常
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
    // 将元素插入到当前 tail 位置
    elements[tail] = e;
    // 计算新的 tail 索引，使用位运算确保索引在数组范围内循环
    if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
        // 如果新的 tail 索引等于 head 索引，说明数组已满，需要进行扩容
        doubleCapacity();
}

• 首先，检查插入的元素是否为 null，如果为 null，抛出 NullPointerException 异常。
• 然后，将元素插入到当前 tail 位置。
• 接着，使用 (tail + 1) & (elements.length - 1) 计算新的 tail 索引。
• 最后，检查新的 tail 索引是否等于 head 索引，如果相等，说明数组已满，调用 doubleCapacity 方法进行扩容。

4.1.3 doubleCapacity() 方法

doubleCapacity() 方法用于对存储元素的数组进行扩容。以下是该方法的源码及注释：

// 对存储元素的数组进行扩容
private void doubleCapacity() {
    // 断言 head 索引等于 tail 索引，确保数组已满
    assert head == tail;
    // 获取旧数组的长度
    int p = head;
    int n = elements.length;
    // 计算旧数组中从 head 到数组末尾的元素数量
    int r = n - p; 
    // 新数组的长度为旧数组长度的 2 倍
    int newCapacity = n << 1;
    // 如果新数组的长度小于 0，说明发生了溢出，抛出 IllegalStateException 异常
    if (newCapacity < 0)
        throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
    // 创建新数组
    Object[] a = new Object[newCapacity];
    // 将旧数组中从 head 到数组末尾的元素复制到新数组的开头
    System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);
    // 将旧数组中从数组开头到 head 之前的元素复制到新数组的剩余部分
    System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);
    // 更新 elements 数组为新数组
    elements = a;
    // 更新 head 索引为 0
    head = 0;
    // 更新 tail 索引为旧数组的长度
    tail = n;
}

• 首先，使用 assert 语句确保 head 索引等于 tail 索引，即数组已满。
• 然后，计算旧数组中从 head 到数组末尾的元素数量 r。
• 接着，将新数组的长度设置为旧数组长度的 2 倍。
• 如果新数组的长度小于 0，说明发生了溢出，抛出 IllegalStateException 异常。
• 创建新数组，并使用 System.arraycopy 方法将旧数组中的元素复制到新数组中。
• 最后，更新 elements 数组为新数组，将 head 索引设置为 0，将 tail 索引设置为旧数组的长度。

4.2 删除操作

4.2.1 removeFirst() 方法

removeFirst() 方法用于移除并返回队列的第一个元素。以下是该方法的源码及注释：

// 移除并返回队列的第一个元素
public E removeFirst() {
    // 调用 pollFirst 方法移除并返回队列的第一个元素
    E x = pollFirst();
    // 如果返回的元素为 null，说明队列为空，抛出 NoSuchElementException 异常
    if (x == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return x;
}

• 该方法调用 pollFirst 方法移除并返回队列的第一个元素。
• 如果返回的元素为 null，说明队列为空，抛出 NoSuchElementException 异常。

4.2.2 removeLast() 方法

removeLast() 方法用于移除并返回队列的最后一个元素。以下是该方法的源码及注释：

// 移除并返回队列的最后一个元素
public E removeLast() {
    // 调用 pollLast 方法移除并返回队列的最后一个元素
    E x = pollLast();
    // 如果返回的元素为 null，说明队列为空，抛出 NoSuchElementException 异常
    if (x == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return x;
}

• 该方法调用 pollLast 方法移除并返回队列的最后一个元素。
• 如果返回的元素为 null，说明队列为空，抛出 NoSuchElementException 异常。

4.2.3 pollFirst() 方法

pollFirst() 方法用于移除并返回队列的第一个元素，如果队列为空，则返回 null。以下是该方法的源码及注释：

// 移除并返回队列的第一个元素，如果队列为空，则返回 null
@SuppressWarnings("unchecked")
public E pollFirst() {
    // 获取 head 索引
    int h = head;
    // 获取当前 head 位置的元素
    E result = (E) elements[h];
    // 如果当前 head 位置的元素为 null，说明队列为空，返回 null
    if (result == null)
        return null;
    // 将当前 head 位置的元素置为 null，帮助垃圾回收
    elements[h] = null;     
    // 计算新的 head 索引，使用位运算确保索引在数组范围内循环
    head = (h + 1) & (elements.length - 1);
    return result;
}

• 首先，获取 head 索引和当前 head 位置的元素。
• 如果当前 head 位置的元素为 null，说明队列为空，返回 null。
• 然后，将当前 head 位置的元素置为 null，帮助垃圾回收。
• 接着，使用 (h + 1) & (elements.length - 1) 计算新的 head 索引。
• 最后，返回移除的元素。

4.2.4 pollLast() 方法

pollLast() 方法用于移除并返回队列的最后一个元素，如果队列为空，则返回 null。以下是该方法的源码及注释：

// 移除并返回队列的最后一个元素，如果队列为空，则返回 null
@SuppressWarnings("unchecked")
public E pollLast() {
    // 计算旧的 tail 索引
    int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);
    // 获取旧的 tail 位置的元素
    E result = (E) elements[t];
    // 如果旧的 tail 位置的元素为 null，说明队列为空，返回 null
    if (result == null)
        return null;
    // 将旧的 tail 位置的元素置为 null，帮助垃圾回收
    elements[t] = null;
    // 更新 tail 索引为旧的 tail 索引
    tail = t;
    return result;
}

• 首先，使用 (tail - 1) & (elements.length - 1) 计算旧的 tail 索引。
• 然后，获取旧的 tail 位置的元素。
• 如果旧的 tail 位置的元素为 null，说明队列为空，返回 null。
• 接着，将旧的 tail 位置的元素置为 null，帮助垃圾回收。
• 最后，更新 tail 索引为旧的 tail 索引，并返回移除的元素。

4.3 查看操作

4.3.1 getFirst() 方法

getFirst() 方法用于查看队列的第一个元素，但不移除该元素。以下是该方法的源码及注释：

// 查看队列的第一个元素，但不移除该元素
@SuppressWarnings("unchecked")
public E getFirst() {
    // 获取 head 位置的元素
    E x = (E) elements[head];
    // 如果 head 位置的元素为 null，说明队列为空，抛出 NoSuchElementException 异常
    if (x == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return x;
}

• 该方法获取 head 位置的元素。
• 如果 head 位置的元素为 null，说明队列为空，抛出 NoSuchElementException 异常。

4.3.2 getLast() 方法

getLast() 方法用于查看队列的最后一个元素，但不移除该元素。以下是该方法的源码及注释：

// 查看队列的最后一个元素，但不移除该元素
@SuppressWarnings("unchecked")
public E getLast() {
    // 计算旧的 tail 索引
    E x = (E) elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)];
    // 如果旧的 tail 位置的元素为 null，说明队列为空，抛出 NoSuchElementException 异常
    if (x == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return x;
}

• 该方法使用 (tail - 1) & (elements.length - 1) 计算旧的 tail 索引，并获取该位置的元素。
• 如果旧的 tail 位置的元素为 null，说明队列为空，抛出 NoSuchElementException 异常。

4.3.3 peekFirst() 方法

peekFirst() 方法用于查看队列的第一个元素，但不移除该元素，如果队列为空，则返回 null。以下是该方法的源码及注释：

// 查看队列的第一个元素，但不移除该元素，如果队列为空，则返回 null
@SuppressWarnings("unchecked")
public E peekFirst() {
    // 返回 head 位置的元素，如果为 null，说明队列为空
    return (E) elements[head];
}

• 该方法直接返回 head 位置的元素，如果该元素为 null，说明队列为空。

4.3.4 peekLast() 方法

peekLast() 方法用于查看队列的最后一个元素，但不移除该元素，如果队列为空，则返回 null。以下是该方法的源码及注释：

// 查看队列的最后一个元素，但不移除该元素，如果队列为空，则返回 null
@SuppressWarnings("unchecked")
public E peekLast() {
    // 计算旧的 tail 索引，并返回该位置的元素，如果为 null，说明队列为空
    return (E) elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)];
}

• 该方法使用 (tail - 1) & (elements.length - 1) 计算旧的 tail 索引，并返回该位置的元素，如果该元素为 null，说明队列为空。

4.4 判断队列是否为空（isEmpty）

4.4.1 isEmpty() 方法

isEmpty() 方法用于判断队列是否为空。以下是该方法的源码及注释：

// 判断队列是否为空
public boolean isEmpty() {
    // 如果 head 索引等于 tail 索引，说明队列为空，返回 true，否则返回 false
    return head == tail;
}

• 该方法通过比较 head 索引和 tail 索引是否相等来判断队列是否为空。

4.5 获取队列元素数量（size）

4.5.1 size() 方法

size() 方法用于获取队列中元素的数量。以下是该方法的源码及注释：

// 获取队列中元素的数量
public int size() {
    // 使用位运算计算队列中元素的数量
    return (tail - head) & (elements.length - 1);
}

• 该方法使用 (tail - head) & (elements.length - 1) 计算队列中元素的数量，通过位运算确保结果在数组的有效范围内。

五、迭代器的实现

5.1 迭代器接口

ArrayDeque 类实现了 Iterable 接口，因此可以使用 iterator() 方法获取一个迭代器来遍历队列中的元素。以下是 iterator() 方法的源码及注释：

// 获取一个迭代器，用于遍历队列中的元素
public Iterator<E> iterator() {
    // 返回一个 DeqIterator 对象
    return new DeqIterator();
}

// 内部类 DeqIterator 实现了 Iterator 接口，用于迭代 ArrayDeque 中的元素
private class DeqIterator implements Iterator<E> {
    // 下一个要返回的元素的索引
    private int cursor = head;
    // 最后一次返回的元素的索引
    private int fence = tail;
    // 最后一次返回的元素的索引，如果为 -1，表示没有返回过元素
    private int lastRet = -1;

    // 判断是否还有下一个元素
    public boolean hasNext() {
        // 如果 cursor 不等于 fence，说明还有下一个元素，返回 true，否则返回 false
        return cursor != fence;
    }

    // 获取下一个元素
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        // 如果 cursor 等于 fence，说明没有下一个元素，抛出 NoSuchElementException 异常
        if (cursor == fence)
            throw new NoSuchElementException();
        // 获取当前 cursor 位置的元素
        E result = (E) elements[cursor];
        // 如果当前 cursor 位置的元素不等于 null，更新 lastRet 为 cursor
        if ( (lastRet = cursor) != fence)
            // 更新 cursor 索引，使用位运算确保索引在数组范围内循环
            cursor = (cursor + 1) & (elements.length - 1);
        return result;
    }

    // 删除当前迭代的元素
    public void remove() {
        // 如果 lastRet 为 -1，说明还没有调用过 next 方法，抛出 IllegalStateException 异常
        if (lastRet < 0)
            throw new IllegalStateException();
        // 移除 lastRet 位置的元素
        delete(lastRet);
        // 如果 lastRet 等于 cursor，说明移除的是当前 cursor 位置的元素，更新 cursor 为 lastRet
        if (lastRet < cursor)
            cursor = (cursor - 1) & (elements.length - 1);
        // 将 lastRet 置为 -1
        lastRet = -1;
    }

    // 删除指定位置的元素
    private void delete(int i) {
        // 断言 i 索引在有效范围内
        assert head != tail;
        // 计算要移动的元素数量
        int numMoved;
        if (i < head) {
            // 如果 i 索引在 head 之前，计算从 i 到 head 的元素数量
            numMoved = head - i - 1;
            // 将从 i + 1 到 head 的元素向前移动一位
            if (numMoved > 0)
                System.arraycopy(elements, i + 1, elements, i, numMoved);
            // 将 head 位置的元素置为 null
            elements[head] = null;
            // 更新 head 索引，使用位运算确保索引在数组范围内循环
            head = (head - 1) & (elements.length - 1);
        } else {
            // 如果 i 索引在 head 之后，计算从 i + 1 到 tail 的元素数量
            numMoved = tail - i - 1;
            // 将从 i + 1 到 tail 的元素向后移动一位
            if (numMoved > 0)
                System.arraycopy(elements, i, elements, i + 1, numMoved);
            // 更新 tail 索引，使用位运算确保索引在数组范围内循环
            tail = (tail - 1) & (elements.length - 1);
        }
        // 如果队列中只有一个元素，将 head 和 tail 索引都置为 0
        if (head == tail)
            tail = 0;
    }
}

• iterator() 方法返回一个 DeqIterator 对象，用于迭代 ArrayDeque 中的元素。
• DeqIterator 类实现了 Iterator 接口，提供了以下方法：
  • hasNext()：判断是否还有下一个元素。
  • next()：获取下一个元素。在获取元素之前，会检查是否还有下一个元素，如果没有则抛出 NoSuchElementException 异常。
  • remove()：删除当前迭代的元素。在删除元素之前，会检查是否已经调用过 next 方法，如果没有则抛出 IllegalStateException 异常。

5.2 迭代顺序

ArrayDeque 的迭代器按照队列中元素的顺序进行迭代，从队列的头部开始，依次向后遍历。例如，以下是一个使用迭代器遍历 ArrayDeque 的示例代码：

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.Iterator;

public class ArrayDequeIterationExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 ArrayDeque 对象
        ArrayDeque<Integer> deque = new ArrayDeque<>();
        // 向队列中添加元素
        deque.addFirst(3);
        deque.addFirst(2);
        deque.addFirst(1);

        // 使用迭代器遍历队列中的元素
        Iterator<Integer> iterator = deque.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());
        }
    }
}

在上述示例代码中，首先创建一个 ArrayDeque 对象，并向队列的头部添加元素。然后使用迭代器遍历队列中的元素，迭代器会按照元素的插入顺序依次输出元素。

六、线程安全机制

6.1 非线程安全

ArrayDeque 是非线程安全的，这意味着在多线程环境下，如果多个线程同时对 ArrayDeque 进行插入、删除等操作，可能会导致数据不一致或抛出异常。例如，一个线程正在进行插入操作，而另一个线程同时进行删除操作，可能会破坏循环数组的结构，导致元素的顺序混乱。

6.2 替代方案

如果需要在多线程环境下使用双端队列，可以使用 LinkedBlockingDeque 类。LinkedBlockingDeque 是 Java 并发包中的一个类，它实现了 BlockingDeque 接口，是线程安全的双端队列。以下是一个使用 LinkedBlockingDeque 的示例代码：

import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;

public class LinkedBlockingDequeExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 LinkedBlockingDeque 对象
        LinkedBlockingDeque<Integer> deque = new LinkedBlockingDeque<>();
        // 向队列中添加元素
        deque.addFirst(3);
        deque.addFirst(2);
        deque.addFirst(1);

        // 从队列中取出元素
        while (!deque.isEmpty()) {
            System.out.println(deque.pollFirst());
        }
    }
}

在上述示例代码中，创建了一个 LinkedBlockingDeque 对象，并向队列的头部添加元素。然后使用 pollFirst 方法从队列的头部取出元素，LinkedBlockingDeque 会保证在多线程环境下操作的线程安全。

七、性能分析

7.1 时间复杂度分析

• 插入操作 ：在队列的头部或尾部插入元素的时间复杂度为 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> O ( 1 ) O(1) </math>O(1)。这是因为 ArrayDeque 使用循环数组实现，只需要更新 head 或 tail 索引即可。
• 删除操作 ：在队列的头部或尾部删除元素的时间复杂度为 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> O ( 1 ) O(1) </math>O(1)。同样，只需要更新 head 或 tail 索引，并将相应位置的元素置为 null。
• 查看操作 ：查看队列的第一个或最后一个元素的时间复杂度为 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> O ( 1 ) O(1) </math>O(1)。只需要直接访问 head 或 tail 索引对应的元素。
• 迭代操作 ：使用迭代器遍历队列中的元素的时间复杂度为 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> O ( n ) O(n) </math>O(n)，其中 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> n n </math>n 是队列中元素的数量。因为需要依次访问队列中的每个元素。

7.2 空间复杂度分析

ArrayDeque 的空间复杂度为 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> O ( n ) O(n) </math>O(n)，其中 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> n n </math>n 是队列中元素的数量。这是因为需要使用一个数组来存储队列中的元素，数组的长度至少为 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> n n </math>n。

7.3 与其他数据结构的性能对比

• 与 LinkedList 的对比 ：
  • 插入和删除操作 ：ArrayDeque 和 LinkedList 在队列的头部和尾部插入和删除元素的时间复杂度都是 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> O ( 1 ) O(1) </math>O(1)。但 ArrayDeque 基于数组实现，随机访问的性能较好，而 LinkedList 基于链表实现，随机访问的性能较差。
  • 空间复杂度 ：ArrayDeque 的空间复杂度相对较低，因为它使用数组存储元素，而 LinkedList 需要额外的指针来维护链表结构，空间开销较大。
• 与 ArrayList 的对比 ：
  • 插入和删除操作 ：ArrayList 在数组的末尾插入和删除元素的时间复杂度为 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> O ( 1 ) O(1) </math>O(1)，但在数组的头部插入和删除元素的时间复杂度为 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> O ( n ) O(n) </math>O(n)，因为需要移动大量元素。而 ArrayDeque 在队列的头部和尾部插入和删除元素的时间复杂度都是 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> O ( 1 ) O(1) </math>O(1)。
  • 随机访问 ：ArrayList 支持随机访问，时间复杂度为 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> O ( 1 ) O(1) </math>O(1)，而 ArrayDeque 不支持随机访问。

八、应用场景

8.1 栈的实现

ArrayDeque 可以作为栈来使用，实现后进先出（LIFO）的功能。以下是一个使用 ArrayDeque 实现栈的示例代码：

import java.util.ArrayDeque;

public class StackExample {
    private ArrayDeque<Integer> stack;

    public StackExample() {
        // 初始化栈
        stack = new ArrayDeque<>();
    }

    // 入栈操作
    public void push(int element) {
        // 在队列的头部插入元素
        stack.addFirst(element);
    }

    // 出栈操作
    public int pop() {
        // 移除并返回队列的第一个元素
        return stack.removeFirst();
    }

    // 查看栈顶元素
    public int peek() {
        // 查看队列的第一个元素
        return stack.getFirst();
    }

    // 判断栈是否为空
    public boolean isEmpty() {
        // 判断队列是否为空
        return stack.isEmpty();
    }

    public static void main(String[] args) {
        StackExample stack = new StackExample();
        // 入栈操作
        stack.push(1);
        stack.push(2);
        stack.push(3);

        // 出栈操作
        while (!stack.isEmpty()) {
            System.out.println(stack.pop());
        }
    }
}

在这个示例中，使用 ArrayDeque 的 addFirst 方法实现入栈操作，使用 removeFirst 方法实现出栈操作，使用 getFirst 方法查看栈顶元素。通过这种方式，ArrayDeque 可以很好地模拟栈的功能。

8.2 队列的实现

ArrayDeque 也可以作为普通队列来使用，实现先进先出（FIFO）的功能。以下是一个使用 ArrayDeque 实现队列的示例代码：

import java.util.ArrayDeque;

public class QueueExample {
    private ArrayDeque<Integer> queue;

    public QueueExample() {
        // 初始化队列
        queue = new ArrayDeque<>();
    }

    // 入队操作
    public void enqueue(int element) {
        // 在队列的尾部插入元素
        queue.addLast(element);
    }

    // 出队操作
    public int dequeue() {
        // 移除并返回队列的第一个元素
        return queue.removeFirst();
    }

    // 查看队首元素
    public int peek() {
        // 查看队列的第一个元素
        return queue.getFirst();
    }

    // 判断队列是否为空
    public boolean isEmpty() {
        // 判断队列是否为空
        return queue.isEmpty();
    }

    public static void main(String[] args) {
        QueueExample queue = new QueueExample();
        // 入队操作
        queue.enqueue(1);
        queue.enqueue(2);
        queue.enqueue(3);

        // 出队操作
        while (!queue.isEmpty()) {
            System.out.println(queue.dequeue());
        }
    }
}

在这个示例中，使用 ArrayDeque 的 addLast 方法实现入队操作，使用 removeFirst 方法实现出队操作，使用 `

滑动窗口问题是算法中常见的一类问题，例如在一个数组中，计算固定大小窗口内的最大值、最小值等。ArrayDeque 可以很好地解决这类问题，利用其双端队列的特性，在 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> O ( n ) O(n) </math>O(n) 的时间复杂度内完成计算。

下面以计算数组中每个固定大小窗口内的最大值为例，详细介绍 ArrayDeque 在滑动窗口问题中的应用。

import java.util.ArrayDeque;

public class SlidingWindowMaximum {
    // 该方法用于计算数组中每个固定大小窗口内的最大值
    public static int[] maxSlidingWindow(int[] nums, int k) {
        // 如果输入数组为空或者窗口大小小于等于 0，直接返回空数组
        if (nums == null || k <= 0) {
            return new int[0];
        }
        // 结果数组的长度为输入数组长度减去窗口大小加 1
        int n = nums.length;
        int[] result = new int[n - k + 1];
        int index = 0;
        // 创建一个 ArrayDeque 用于存储数组元素的索引
        ArrayDeque<Integer> deque = new ArrayDeque<>();

        // 遍历输入数组
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            // 移除已经不在当前窗口内的元素的索引
            if (!deque.isEmpty() && deque.peekFirst() < i - k + 1) {
                deque.pollFirst();
            }
            // 移除队列中小于当前元素的元素的索引
            while (!deque.isEmpty() && nums[deque.peekLast()] < nums[i]) {
                deque.pollLast();
            }
            // 将当前元素的索引加入队列尾部
            deque.offerLast(i);
            // 当窗口大小达到 k 时，记录当前窗口的最大值
            if (i >= k - 1) {
                result[index++] = nums[deque.peekFirst()];
            }
        }
        return result;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] nums = {1, 3, -1, -3, 5, 3, 6, 7};
        int k = 3;
        int[] result = maxSlidingWindow(nums, k);
        // 输出每个窗口内的最大值
        for (int num : result) {
            System.out.print(num + " ");
        }
    }
}

代码解释：

1. 初始化：

   • 首先检查输入数组是否为空或者窗口大小是否小于等于 0，如果是，则直接返回空数组。
   • 创建一个长度为 n - k + 1 的结果数组，用于存储每个窗口内的最大值。
   • 创建一个 ArrayDeque 用于存储数组元素的索引。

2. 遍历数组：

   • 对于每个元素，先检查队列头部的索引是否已经不在当前窗口内，如果是，则将其从队列头部移除。
   • 然后从队列尾部开始，移除所有小于当前元素的元素的索引，这样可以保证队列头部的元素始终是当前窗口内的最大值。
   • 将当前元素的索引加入队列尾部。

3. 记录最大值：

   • 当遍历到的元素数量达到窗口大小 k 时，将队列头部的元素（即当前窗口内的最大值）记录到结果数组中。

通过这种方式，ArrayDeque 可以高效地解决滑动窗口问题，时间复杂度为 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> O ( n ) O(n) </math>O(n)，因为每个元素最多入队和出队一次。

8.4 广度优先搜索（BFS）

广度优先搜索是一种用于遍历或搜索树或图的算法，它从根节点（或起始节点）开始，逐层地访问节点。在 BFS 中，通常使用队列来存储待访问的节点。ArrayDeque 可以作为 BFS 中的队列使用，实现高效的节点访问。

下面是一个使用 ArrayDeque 实现图的 BFS 遍历的示例代码：

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

// 图类
class Graph {
    private int V; // 顶点数
    private List<List<Integer>> adj; // 邻接表

    // 构造函数，初始化图
    public Graph(int v) {
        V = v;
        adj = new ArrayList<>(v);
        for (int i = 0; i < v; i++) {
            adj.add(new ArrayList<>());
        }
    }

    // 添加边
    public void addEdge(int u, int v) {
        adj.get(u).add(v);
    }

    // 广度优先搜索
    public void BFS(int s) {
        // 标记数组，用于标记节点是否已被访问
        boolean[] visited = new boolean[V];
        // 创建一个 ArrayDeque 作为队列
        ArrayDeque<Integer> queue = new ArrayDeque<>();

        // 标记起始节点为已访问，并将其加入队列
        visited[s] = true;
        queue.offerLast(s);

        while (!queue.isEmpty()) {
            // 从队列头部取出一个节点
            int u = queue.pollFirst();
            System.out.print(u + " ");

            // 遍历该节点的所有邻接节点
            for (int v : adj.get(u)) {
                if (!visited[v]) {
                    // 如果邻接节点未被访问，标记为已访问，并将其加入队列
                    visited[v] = true;
                    queue.offerLast(v);
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Graph g = new Graph(4);
        g.addEdge(0, 1);
        g.addEdge(0, 2);
        g.addEdge(1, 2);
        g.addEdge(2, 0);
        g.addEdge(2, 3);
        g.addEdge(3, 3);

        System.out.println("Following is Breadth First Traversal " +
                "(starting from vertex 2)");

        g.BFS(2);
    }
}

代码解释：

1. 图的初始化：

   • 定义图的顶点数 V 和邻接表 adj。
   • 构造函数中初始化邻接表。
   • addEdge 方法用于添加边。

2. BFS 实现：

   • 创建一个布尔类型的标记数组 visited，用于标记节点是否已被访问。
   • 创建一个 ArrayDeque 作为队列，将起始节点标记为已访问并加入队列。
   • 当队列不为空时，从队列头部取出一个节点，访问该节点，并将其所有未访问的邻接节点标记为已访问并加入队列。

通过使用 ArrayDeque 作为队列，BFS 算法可以高效地进行节点的访问和遍历。

九、常见问题及解决方案

9.1 数组扩容问题

9.1.1 问题描述

ArrayDeque 在插入元素时，如果数组已满，会调用 doubleCapacity 方法进行扩容，将数组长度扩大为原来的 2 倍。频繁的扩容操作会导致性能下降，因为需要进行数组的复制操作。

9.1.2 解决方案

• 预估初始容量 ：在创建 ArrayDeque 时，根据实际需求预估初始容量，避免频繁扩容。例如，如果已知需要存储 100 个元素，可以使用 ArrayDeque(int numElements) 构造函数创建一个初始容量为 128（大于 100 的最小 2 的幂次方）的 ArrayDeque。

import java.util.ArrayDeque;

public class EstimateCapacityExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 预估需要存储 100 个元素，创建初始容量为 128 的 ArrayDeque
        ArrayDeque<Integer> deque = new ArrayDeque<>(128);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            deque.addLast(i);
        }
    }
}

• 批量插入 ：如果需要插入大量元素，可以考虑批量插入，减少扩容次数。例如，先将元素存储在一个临时数组或集合中，然后一次性将这些元素添加到 ArrayDeque 中。

9.2 并发修改问题

9.2.1 问题描述

由于 ArrayDeque 是非线程安全的，在多线程环境下，如果多个线程同时对 ArrayDeque 进行插入、删除等操作，可能会导致数据不一致或抛出异常。例如，一个线程正在进行插入操作，而另一个线程同时进行删除操作，可能会破坏循环数组的结构，导致元素的顺序混乱。

9.2.2 解决方案

• 使用线程安全的替代类 ：如前面提到的，可以使用 LinkedBlockingDeque 类，它是 Java 并发包中的一个类，实现了 BlockingDeque 接口，是线程安全的双端队列。

import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;

public class ThreadSafeDequeExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个线程安全的双端队列
        LinkedBlockingDeque<Integer> deque = new LinkedBlockingDeque<>();
        // 向队列中添加元素
        deque.addFirst(3);
        deque.addFirst(2);
        deque.addFirst(1);

        // 从队列中取出元素
        while (!deque.isEmpty()) {
            System.out.println(deque.pollFirst());
        }
    }
}

• 同步机制 ：如果需要继续使用 ArrayDeque，可以使用同步机制，如 synchronized 关键字或 ReentrantLock 来保证线程安全。

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class SynchronizedArrayDequeExample {
    private ArrayDeque<Integer> deque = new ArrayDeque<>();
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    // 同步的插入方法
    public void addElement(int element) {
        lock.lock();
        try {
            deque.addLast(element);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    // 同步的删除方法
    public Integer removeElement() {
        lock.lock();
        try {
            return deque.pollFirst();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedArrayDequeExample example = new SynchronizedArrayDequeExample();
        example.addElement(1);
        example.addElement(2);
        System.out.println(example.removeElement());
    }
}

9.3 元素为 null 的问题

9.3.1 问题描述

ArrayDeque 不允许插入 null 元素，当尝试插入 null 元素时，会抛出 NullPointerException 异常。

9.3.2 解决方案

• 检查元素是否为 null ：在插入元素之前，检查元素是否为 null，如果为 null，可以选择忽略该元素或进行其他处理。

import java.util.ArrayDeque;

public class NullElementCheckExample {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayDeque<Integer> deque = new ArrayDeque<>();
        Integer element = null;
        if (element != null) {
            deque.addLast(element);
        } else {
            System.out.println("Element is null, skipping insertion.");
        }
    }
}

十、总结与展望

10.1 总结

ArrayDeque 是 Java 集合框架中一个功能强大且性能卓越的双端队列实现。它基于循环数组实现，具有以下特点：

• 高效的插入和删除操作 ：在队列的头部和尾部插入和删除元素的时间复杂度为 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> O ( 1 ) O(1) </math>O(1)，这使得 ArrayDeque 非常适合实现栈和队列等数据结构。
• 随机访问性能较好 ：由于使用数组存储元素，ArrayDeque 在一定程度上支持随机访问，虽然没有 ArrayList 那样直接的随机访问方法，但通过索引计算可以实现相对高效的访问。
• 不允许存储 null 元素 ：这一限制可以避免在使用过程中出现 NullPointerException 异常，提高程序的健壮性。
• 非线程安全 ：在多线程环境下使用时需要注意线程安全问题，可以使用 LinkedBlockingDeque 等线程安全的替代类或使用同步机制。

10.2 展望

随着 Java 技术的不断发展，ArrayDeque 可能会在以下方面得到进一步的优化和扩展：

• 性能优化 ：在未来的 Java 版本中，可能会对 ArrayDeque 的实现进行优化，进一步提高插入、删除和扩容等操作的性能。例如，采用更高效的数组复制算法或减少内存开销。
• 并发支持 ：虽然目前有 LinkedBlockingDeque 等线程安全的替代类，但在某些特定的并发场景下，可能还需要更高效的并发 ArrayDeque 实现。未来可能会引入新的并发数据结构或对 ArrayDeque 进行改进，以支持更高效的并发操作。
• 功能扩展 ：可能会为 ArrayDeque 增加更多的功能，如支持批量插入和删除操作、支持元素的更新操作等，以提高其使用的灵活性。
• 与其他数据结构的集成 ：ArrayDeque 可能会与其他数据结构进行更紧密的集成，例如与图算法、排序算法等结合，提供更强大的功能。

总之，ArrayDeque 作为 Java 集合框架中的重要组成部分，在未来的发展中有望为开发者提供更高效、更强大的功能，帮助开发者更好地解决各种实际问题。同时，开发者也应该根据具体的需求，合理选择和使用 ArrayDeque 以及其他相关的数据结构，以提高程序的性能和可维护性。通过对 ArrayDeque 的深入理解和应用，我们可以在 Java 编程中更加得心应手地处理各种数据结构和算法问题。