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ArrayDeque双端队列--底层原理可视化

news 2025/8/5 7:09:44

有环形的数组？同时具备栈功能和队列功能？

1. Java 中的栈实现

在Java中，栈类你可以直接找到的是Stack类。Stack类实在JDK 1.0 的时候就有了，但你会发现在Stack类头注释写着：建议优先使用Deque接口及其实现类，例如：ArrayDeque。

1.1. Stack

Stack 继承自 Vector<E>，线程安全，但因每次操作都要加锁，性能较差。Vector 集合基本也不会用到的。

示例：

Stack<Integer> stack = new Stack<>();
stack.push(1);
int top = stack.peek();
int popped = stack.pop();

1.2. LinkedList

LinkedList实现了Deque双端队列接口，具备了队列功能和栈功能，也就是说LinkedList 可以当做普通List集合来用，同时还可以当做栈或队列来使用。

以下是通过LinkedList 来实现入栈、出栈操作：

LinkedList<String> linkedList = new LinkedList<>();
// 入栈
linkedList.push("渊");
linkedList.push("渟");
linkedList.push("岳");
linkedList.push("Why?");
System.out.println(linkedList); // [Why?, 岳, 渟, 渊]
// 获取栈顶元素
String peek = linkedList.peek();//不会出栈
System.out.println(peek); // Why?
// 出栈
String pop = linkedList.pop();//出栈一个
System.out.println(pop);// Why?
linkedList.pop();   //再出栈一个,不获取结果
System.out.println(linkedList);// 剩下的元素：[渟, 渊]

使用双端队列功能时，如果你想将引用改为接口名，❌这样写是错的：List<String> linkedList = new LinkedList<>();✔得这样写才行：Deque<String> linkedList = new LinkedList<>();

1.3. ArrayDeque

Deque接口为双端队列接口，ArrayDeque实现了该接口。

ArrayDeque 看命名就知道是双端队列，并且底层数据结构为数组。ArrayDeque除了具有队列（FIFO）功能，同时它还具备栈（LIFO）功能，所以它可以当做栈来使用。

栈功能示例：

Deque<Integer> deque = new ArrayDeque<>();
deque.push(1);
deque.push(2);
deque.push(3);
System.out.println(deque); // [3, 2, 1]
int top = deque.peek();
System.out.println(top); // 3
int popped = deque.pop();
System.out.println(popped); // 3
System.out.println(deque); // [2, 1]

LinkedList在集合学习时已经学过了，它的双端队列功能并不会影响底层数据结构，仅仅是操作逻辑不同而已。

在双端队列功能上，LinkedList没有ArrayDeque性能高，通常使用ArrayDeque更多，所以我们详细来学学ArrayDeque有什么独特之处？

2. ArrayDeque底层原理

在Java中，可以通过双端队列Deque的实现类来实现栈功能，常用的有两个：ArrayDeque 和 LinkedList。

两个类继承与实现：

// ArrayDeque
public class ArrayDeque<E> extends AbstractCollection<E>implements Deque<E>, Cloneable, Serializable
// LinkedList
public class LinkedList<E>extends AbstractSequentialList<E>implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable

LinkedList 实现类既是List集合、同时又是Deque双端队列，也就是说，这个类具备多种功能：链式集合、链式队列和链式栈三种功能。

ArrayDeque 实现类具备两种功能：队列和栈。

上一篇栈的文章也讲述过使用单链表实现自定义栈，并使用自定义栈完成了有效括号匹配实战，在此，主要完成ArrayDeque栈功能的学习。

2.1. ArrayDeque的数据结构

看命名就知道是双端队列，并且底层数据结构为数组。ArrayDeque类主要字段如下：

public class ArrayDeque<E> extends AbstractCollection<E>implements Deque<E>, Cloneable, Serializable{// 数据就保存在这个数组，大小总是2的幂transient Object[] elements;// 头索引transient int head;// 尾索引transient int tail;// 允许最小容量private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;...
}

特别说明下MIN_INITIAL_CAPACITY=8，这个最小容量是在你指定ArrayDeque大小时才会用到。比如你指定大小为7，那它创建出来的大小为8，它的计算逻辑和HashMap的一模一样。ArrayDeque的默认大小为16。相关代码如下：

// 默认构造方法
public ArrayDeque() {elements = new Object[16];
}// 指定大小构造方法
public ArrayDeque(int numElements) {allocateElements(numElements);
}private void allocateElements(int numElements) {elements = new Object[calculateSize(numElements)];
}// 计算结果为2的幂次方，跟HashMap的计算逻辑一样
private static int calculateSize(int numElements) {int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;if (numElements >= initialCapacity) {initialCapacity = numElements;initialCapacity |= (initialCapacity >>>  1);initialCapacity |= (initialCapacity >>>  2);initialCapacity |= (initialCapacity >>>  4);initialCapacity |= (initialCapacity >>>  8);initialCapacity |= (initialCapacity >>> 16);initialCapacity++;if (initialCapacity < 0)initialCapacity >>>= 1;}return initialCapacity;
}

2.2. 为什么大小设置为2的幂次方？

如果学过HashMap底层实现逻辑，那就非常容易理解，之前的HashMap文章还专门讲了这个。

它是HashMap的哈希值映射数组下标和ArrayDeque循环数组得以实现的基石。

使得通过与(&)运算高效完成数组下标映射，非常方便哈希值映射计算和循环索引计算。为得就是方便计算元素索引位置、提高计算效率，特别是扩容后需要做的调整，也变得简单高效。

通过添加元素（入栈）、动态扩容和移除元素（出栈）这些操作感受与（&）运算的巧妙之处。

2.3. 添加元素--入栈

从添加元素开始，直到元素达到阈值后触发动态扩容，再接着学习动态扩容。

元素入栈操作：

Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();
stack.push(1);  // 相当于 addFirst
stack.push(2);
stack.push(3);
stack.push(4);
stack.push(5);
stack.push(6);
stack.push(7);
stack.push(8);
System.out.println(stack);

执行结果：

[8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1]

结果怎么反过来的？？

我们看看源码怎么写的

public void push(E e) {addFirst(e);
}public void addFirst(E e) {// 不允许存放 null 元素if (e == null)throw new NullPointerException();// 入栈元素位置计算elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;if (head == tail)doubleCapacity();
}

计算新的 head 索引并插入元素

elements[ head = (head - 1) & (elements.length - 1) ] = e;

head为int数据类型，成员变量默认为：0；

head - 1：在当前 head 之前的那个槽位，也就是“往左移一格”，第一次插入时为：-1；

& (elements.length - 1)：取模运算，但因为 elements.length 总是 2 的幂，这里用位运算更高效；

head = …：先更新 head 成新位置，再把 e 存入 elements[head];

这样无论 head 从 0 跑到 -1，按位与都会自动“回绕”到数组末尾，实现循环缓冲。

说那么多也没啥印象，来个计算过程图示：

ArrayDeque循环数组计算过程

所以，push入栈是从数组的末端开始，往回入栈的，ArrayDeque的数据结构为循环数组。

循环数组数据结构如图：

ArrayDeque循环数组

2.4. 动态扩容

栈和队列就像List集合那样，使用时可能并不会知道集合大小为多少，所以ArrayDeque需要像ArrayList一样需要动态扩容。

ArrayDeque的动态扩容像HashMap一样，扩容时候为2的倍数，确保大小一直为2的幂次方。

动态扩容只会在元素入栈的时候才会触发，addFirst触发扩容条件的源码

if (head == tail)doubleCapacity();

动态扩容关键源码为

private void doubleCapacity() {assert head == tail;int p = head;// 数组大小int n = elements.length;// p右边元素的个数int r = n - p;// 容量翻倍int newCapacity = n << 1;if (newCapacity < 0)throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");// 创建新数组Object[] a = new Object[newCapacity];// 元素第一次拷贝System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);// 元素第二次拷贝System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);// 更新数组为新对象elements = a;// 重置头尾索引下标head = 0;tail = n;
}

重点在于，为什么需要拷贝两次？

/** src     源数组* srcPos  源数组的起始位置* dest    目标数组* destPos 目标数据的起始位置* length  需要复制数组的长度*/
// 元素第一次拷贝
System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);
// 元素第二次拷贝
System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);

ArrayDeque使用的是双端队列，是一种循环数组，头尾看做是相连的，做两次拷贝的目的是：确保新数组中的元素保持原来入栈的顺序。具体怎么个情况，继续往下看，可视化一步步的讲个明白。

2.5. 彻底搞懂循环数组

举个例子：指定ArrayDeque的大小为8。先入栈1、2、3、4、5、6、7、8元素；再入栈A、B、C、D、E、F、G、H 元素。

源码如下：

public class ArrayDequeStudy {public static void main(String[] args) {Deque<String> stack = new ArrayDeque<>(6);// 不能等于8，等于8初始大小会变为16stack.push("1");stack.push("2");stack.push("3");stack.push("4");stack.push("5");stack.push("6");stack.push("7");stack.push("8");stack.push("A");stack.push("B");stack.push("C");stack.push("D");stack.push("E");stack.push("F");stack.push("G");stack.push("H");System.out.println(stack); // [H, G, F, E, D, C, B, A, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1]String top = stack.peek();System.out.println(top);   // HString pop = stack.pop();System.out.println(pop);   // HSystem.out.println(stack.pop());// G}
}

通过图形显示处理过程就很好理解了。

1. 第一次扩容的可视化

第一次扩容很好理解，只需执行一次元素拷贝，第二次的拷贝是空拷贝System.arraycopy(elements, 0, a, 8, 0)

ArrayDeque第一次扩容

2. 扩容完成后，继续插入元素（重点）：

在这里开始会出现环绕的插入，就是数组中的元素拆分成了两段。

ArrayDeque环绕插入

也许这样更好理解点，在逻辑处理上ArrayDeque的数据结构是长这样的↓。

push 一个元素head逆时针走动一格，写入元素即可。

ArrayDeque环形数组插入

3. 第二次扩容的可视化

出现两端环绕的情况时，两次拷贝是必不可少的，第一次拷贝的是head索引位置的后半段，第二次拷贝的是0至head的前半段，也就是剩下的那部分。不管是ArrayDeque的栈功能操作，还是双端队列操作，它们都会形成环绕形态的数组，需要进行两次拷贝，才能确保栈LIFO和队列FIFO元素的顺序正确。

ArrayDeque第二次扩容

2.6. 移除元素--出栈

出栈操作pop就是将head索引下的元素取出，将head右移一位。

主要源码如下：

public E pollFirst() {int h = head;// 取出头元素E result = (E) elements[h];if (result == null)return null;// 清空对应数组elements[h] = null;// 将head右移一位head = (h + 1) & (elements.length - 1);return result;
}

整个操作过程非常高效，关键源码还是head 右移一位。

比如：出栈元素D的过程

ArrayDeque循环数组--移除元素1

ArrayDeque是循环数组，在常规横向的数组结构上面展示并不直观。

在首尾相连的圆形数组上，右移一位就像是在圆形的数组上顺时针走动一格，没有首尾隔断的感觉。

这样看起来可能更符合循环数组的处理逻辑，出栈操作：

ArrayDeque循环数组--移除元素2

3. 总结

ArrayDeque 是基于循环数组的双端队列实现，既可用作队列（FIFO）也可用作栈（LIFO）。通过两个索引 head／tail 和位运算自动在固定大小（2 的幂）的底层数组中“回绕”操作，当空间用尽时再将数组容量翻倍并平铺原有元素，所有入、删、取操作均为摊销 O(1)，不支持存放 null 且非线程安全，但因无额外节点指针、缓存友好，通常比链表结构性能更优。

通过这篇文章，从栈功能使用到底层原理基本掌握，对ArrayDeque队列操作功能感兴趣的可以自行学习，底层和栈功能是共用的，相信你很快便可掌握双端队列。