如何在Java中实现支持随机访问的固定窗口队列

在Java中实现滑动队列

引言

本文介绍了一种在Java中实现的自定义滑动队列，利用了Google Guava库中的EvictingQueue。这种滑动队列允许以固定大小管理队列，并能够随机访问元素。我们将探讨这种数据结构的设计、实现和使用。

队列是计算机科学中的基本数据结构，用于以先进先出（FIFO）的方式存储和管理数据。然而，在某些场景下，例如实时数据处理或滑动窗口算法，需要一个固定大小的队列来自动淘汰旧元素。本文介绍了一种自定义的SlidingQueue实现，它通过扩展标准队列的功能，结合淘汰和随机访问特性来满足这些需求。

代码

java 复制代码

public class SlidingQueue<T> extends ForwardingQueue<T> {

    private final EvictingQueue<T> queue;
    // view
    private final ArrayDeque<T> arrayDeque;
    private int cachedHead = -1;
    private Object[] cachedElements = null;

    @SneakyThrows
    public SlidingQueue(int size) {
        this.queue = EvictingQueue.create(size);
        this.arrayDeque = (ArrayDeque<T>) FieldUtils.readField(queue, "delegate", true);
    }

    // 只允许添加和删除操作，其他操作都不允许修改队列内容
    @Override
    public boolean add(T element) {
        cachedHead = -1;
        return queue.add(element);
    }

    @Override
    public T remove() {
        cachedHead = -1;
        return queue.remove();
    }

    // 使用标准实现，下面两个方法委托给上面的add和remove方法
    @Override
    public boolean offer(T o) {return standardOffer(o);}
    @Override
    public T poll() {return standardPoll();}

    // 默认实现，委托给不可变视图，所有的写操作都默认禁止
    @Override
    protected Queue<T> delegate() {
        return UnmodifiableQueue.unmodifiableQueue(queue);
    }

    // 支持随机访问
    @SneakyThrows
    public T get(int index) {
        Object[] elements;
        int head;
        if (cachedHead == -1) {
            cachedElements = elements = (Object[]) FieldUtils.readField(arrayDeque, "elements", true);
            cachedHead = head = (int) FieldUtils.readField(arrayDeque, "head", true);
        } else {
            elements = cachedElements;
            head = cachedHead;
        }
        return (T) elements[inc(head, index, elements.length)];
    }

    // 环形数组下标计算
    static int inc(int i, int distance, int modulus) {
        if ((i += distance) - modulus >= 0) i -= modulus;
        return i;
    }
}

实现细节

1. 利用Guava的EvictingQueue

SlidingQueue类基于Guava的EvictingQueue构建，提供了一个固定大小的队列，当队列达到容量时会自动淘汰最旧的元素。这种行为非常适合只关注最新元素的场景。

java 复制代码

private final EvictingQueue<T> queue;

2. 使用ArrayDeque实现高效访问

为了实现随机访问，SlidingQueue使用ArrayDeque作为底层数据结构。这允许通过索引高效地检索元素，这是标准队列实现所不具备的功能。

java 复制代码

private final ArrayDeque<T> arrayDeque;

3. 支持随机访问

SlidingQueue提供了get(int index)方法，支持对队列中元素的随机访问。这是通过直接访问ArrayDeque的内部数组实现的。

java 复制代码

public T get(int index) {
    // 访问元素数组并计算正确的索引
}

4. 处理循环索引

队列使用循环数组来存储元素，这需要对索引进行仔细处理。inc方法用于在数组范围内计算正确的索引。

java 复制代码

static int inc(int i, int distance, int modulus) {
    if ((i += distance) - modulus >= 0) i -= modulus;
    return i;
}

使用示例

SlidingQueue可用于需要固定大小、自动淘汰且支持随机访问的场景。以下是一个示例，演示了其用法：

java 复制代码

public static void main(String[] args) {
    SlidingQueue<Integer> q = new SlidingQueue<>(5);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        q.offer(i);
        System.out.format("iteration(i = %d): \n", i);
        int[] array = IntStream.range(0, q.size()).map(q::get).toArray();
        System.out.println("array extracted:" + Arrays.toString(array));
    }
}

输入结果如下：

console 复制代码

iteration(i = 0): 
array extracted:[0]
iteration(i = 1): 
array extracted:[0, 1]
iteration(i = 2): 
array extracted:[0, 1, 2]
iteration(i = 3): 
array extracted:[0, 1, 2, 3]
iteration(i = 4): 
array extracted:[0, 1, 2, 3, 4]
iteration(i = 5): 
array extracted:[1, 2, 3, 4, 5]
iteration(i = 6): 
array extracted:[2, 3, 4, 5, 6]
iteration(i = 7): 
array extracted:[3, 4, 5, 6, 7]
iteration(i = 8): 
array extracted:[4, 5, 6, 7, 8]
iteration(i = 9): 
array extracted:[5, 6, 7, 8, 9]

结论

SlidingQueue实现为管理具有淘汰和随机访问功能的固定大小队列提供了一个强大的解决方案。通过利用Guava的EvictingQueue和Java的ArrayDeque，这种数据结构既高效又多功能，适用于各种应用，包括实时数据处理和滑动窗口算法。

关键要点

SlidingQueue高效管理固定大小队列，并自动淘汰最旧的元素。
支持元素的随机访问，增强了其在各种应用中的实用性。
该实现展示了如何有效利用现有库来扩展标准数据结构。