Queue & Stack：实现机制与使用场景深度分析
Java已不推荐使用Stack，而是推荐使用更高效的ArrayDeque 但是为什么还有很多人在使用 Stack。总结了一下主要有两个原因。 如果 JDK 不推荐使用 Stack，那应该使用什么集合类来替换栈，一起看看官方的文档。 正如图中标注部分所示，栈的相关操作应该由 Deque 接口来提供，推荐使用 Deque 这种数据结构， 以及它的子类，例如 ArrayDeque。 使用 Deque 接口来实现栈的功能有什么好处： 这个类作为栈使用时可能比 Stack 快，作为队列使用时可能比 LinkedList 快。因为原来的 Java 的 Stack 继承自 Vector，而 Vector 在每个方法中都加了锁，而 Deque 的子类 ArrayDeque 并没有锁的开销。 原来的 Java 的 Stack，包含了在任何位置添加或者删除元素的方法，这些不是栈应该有的方法，所以需要屏蔽掉这些无关的方法。声明为 Deque 接口可以解决这个问题，在接口中声明栈需要用到的方法，无需管子类是如何是实现的，对于上层使用者来说，只可以调用和栈相关的方法。 Stack 常用的方法如下所示： ArrayDeque 常用的方法如下所示： 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)。 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: 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: 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: 下表列出了Deque与Stack对应的接口: 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。 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。 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: 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。 上述代码可以看到， 空间问题是在插入之后解决的；首先，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。 计算机里数值都是用补码表示的，如果是8位的，-1就是1111 1111，而 (elements.length - 1) 也是 1111 1111，因此两者相与也就是(elements.length - 1)； head = (head - 1) & (elements.length - 1) 最后再让算出的位置赋值给head，因此其实这段代码就是让head再从后往前赋值 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: 图中可以看到，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(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。 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()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()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()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。为什么不推荐使用Stack
为什么不推荐使用
为什么现在还在用
为什么推荐使用 Deque 接口替换栈
val stack: Deque<Int> = ArrayDeque()
Stack 和 ArrayDeque的 区别
集合类型 数据结构 是否线程安全 Stack 数组 是 ArrayDeque 数组 否 操作 方法 入栈 push(E item) 出栈 pop() 查看栈顶 peek() 为空时返回 null 操作 方法 入栈 push(E item) 出栈 poll() 栈为空时返回 nullpop() 栈为空时会抛出异常 查看栈顶 peek() 为空时返回 null Queue介绍
Queue
Deque
方法剖析
addFirst()
//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
}
//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()
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
}pollFirst()
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()
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()
public E peekFirst() {
return elements[head]; // elements[head] is null if deque empty
}peekLast()
public E peekLast() {
return elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)];
}