前言
Java裡有一個叫做Stack的類，卻沒有叫做Queue的類（它是個介面名字）。當需要使用棧時，Java已不推薦使用Stack，而是推薦使用更高效的ArrayDeque；既然Queue只是一個介面，當需要使用佇列時也就首選ArrayDeque了（次選是LinkedList）。
總體介紹
要講棧和佇列，首先要講Deque介面。Deque的含義是“double ended queue”，即雙端佇列，它既可以當作棧使用，也可以當作佇列使用。下表列出了Deque與Queue相對應的介面：
| Queue Method | Equivalent Deque Method | 說明 |
|---|---|---|
add(e) |
addLast(e) |
向隊尾插入元素，失敗則丟擲異常 |
offer(e) |
offerLast(e) |
向隊尾插入元素，失敗則返回false |
remove() |
removeFirst() |
獲取並刪除隊首元素，失敗則丟擲異常 |
poll() |
pollFirst() |
獲取並刪除隊首元素，失敗則返回null |
element() |
getFirst() |
獲取但不刪除隊首元素，失敗則丟擲異常 |
peek() |
peekFirst() |
獲取但不刪除隊首元素，失敗則返回null |
下表列出了Deque與Stack對應的介面：
| Stack Method | Equivalent Deque Method | 說明 |
|---|---|---|
push(e) |
addFirst(e) |
向棧頂插入元素，失敗則丟擲異常 |
| 無 | offerFirst(e) |
向棧頂插入元素，失敗則返回false |
pop() |
removeFirst() |
獲取並刪除棧頂元素，失敗則丟擲異常 |
| 無 | pollFirst() |
獲取並刪除棧頂元素，失敗則返回null |
peek() |
peekFirst() |
獲取但不刪除棧頂元素，失敗則丟擲異常 |
| 無 | peekFirst() |
獲取但不刪除棧頂元素，失敗則返回null |
上面兩個表共定義了Deque的12個介面。新增，刪除，取值都有兩套介面，它們功能相同，區別是對失敗情況的處理不同。一套介面遇到失敗就會丟擲異常，另一套遇到失敗會返回特殊值（false或null）。除非某種實現對容量有限制，大多數情況下，新增操作是不會失敗的。雖然Deque的介面有12個之多，但無非就是對容器的兩端進行操作，或新增，或刪除，或檢視。明白了這一點講解起來就會非常簡單。
ArrayDeque和LinkedList是Deque的兩個通用實現，由於官方更推薦使用AarryDeque用作棧和佇列，加之上一篇已經講解過LinkedList，本文將著重講解ArrayDeque的具體實現。
從名字可以看出ArrayDeque底層通過陣列實現，為了滿足可以同時在陣列兩端插入或刪除元素的需求，該陣列還必須是迴圈的，即迴圈陣列（circular array），也就是說陣列的任何一點都可能被看作起點或者終點。ArrayDeque是非執行緒安全的（not thread-safe），當多個執行緒同時使用的時候，需要程式設計師手動同步；另外，該容器不允許放入null元素。
上圖中我們看到，head指向首端第一個有效元素，tail指向尾端第一個可以插入元素的空位。因為是迴圈陣列，所以head不一定總等於0，tail也不一定總是比head大。
方法剖析
addFirst()
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，在空間足夠且下標沒有越界的情況下，只需要將elements[--head] = e即可。
實際需要考慮：1.空間是否夠用，以及2.下標是否越界的問題。上圖中，如果head為0之後接著呼叫addFirst()，雖然空餘空間還夠用，但head為-1，下標越界了。下列程式碼很好的解決了這兩個問題。
|
1 2 3 4 5 6 7 8 |
//addFirst(E e) public void addFirst(E e) { if (e == null)//不允許放入null throw new NullPointerException(); elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;//2.下標是否越界 if (head == tail)//1.空間是否夠用 doubleCapacity();//擴容 } |
上述程式碼我們看到，空間問題是在插入之後解決的，因為tail總是指向下一個可插入的空位，也就意味著elements陣列至少有一個空位，所以插入元素的時候不用考慮空間問題。
下標越界的處理解決起來非常簡單，head = (head - 1) & (elements.length - 1)就可以了，這段程式碼相當於取餘，同時解決了head為負值的情況。因為elements.length必需是2的指數倍，elements - 1就是二進位制低位全1，跟head - 1相與之後就起到了取模的作用，如果head - 1為負數（其實只可能是-1），則相當於對其取相對於elements.length的補碼。
下面再說說擴容函式doubleCapacity()，其邏輯是申請一個更大的陣列（原陣列的兩倍），然後將原陣列複製過去。過程如下圖所示：
圖中我們看到，複製分兩次進行，第一次複製head右邊的元素，第二次複製head左邊的元素。
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 |
//doubleCapacity() private void doubleCapacity() { assert head == tail; int p = head; int n = elements.length; int r = n - p; // head右邊元素的個數 int newCapacity = n << 1;//原空間的2倍 if (newCapacity < 0) throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big"); Object[] a = new Object[newCapacity]; System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);//複製右半部分，對應上圖中綠色部分 System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);//複製左半部分，對應上圖中灰色部分 elements = (E[])a; head = 0; tail = n; } |
addLast()
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，由於tail總是指向下一個可以插入的空位，因此只需要elements[tail] = e;即可。插入完成後再檢查空間，如果空間已經用光，則呼叫doubleCapacity()進行擴容。
|
1 2 3 4 5 6 7 |
public void addLast(E e) { if (e == null)//不允許放入null throw new NullPointerException(); elements[tail] = e;//賦值 if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)//下標越界處理 doubleCapacity();//擴容 } |
下標越界處理方式addFirt()中已經講過，不再贅述。
pollFirst()
pollFirst()的作用是刪除並返回Deque首端元素，也即是head位置處的元素。如果容器不空，只需要直接返回elements[head]即可，當然還需要處理下標的問題。由於ArrayDeque中不允許放入null，當elements[head] == null時，意味著容器為空。
|
1 2 3 4 5 6 7 8 |
public E pollFirst() { E result = elements[head]; if (result == null)//null值意味著deque為空 return null; elements[h] = null;//let GC work head = (head + 1) & (elements.length - 1);//下標越界處理 return result; } |
pollLast()
pollLast()的作用是刪除並返回Deque尾端元素，也即是tail位置前面的那個元素。
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
public E pollLast() { int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);//tail的上一個位置是最後一個元素 E result = elements[t]; if (result == null)//null值意味著deque為空 return null; elements[t] = null;//let GC work tail = t; return result; } |
peekFirst()
peekFirst()的作用是返回但不刪除Deque首端元素，也即是head位置處的元素，直接返回elements[head]即可。
|
1 2 3 |
public E peekFirst() { return elements[head]; // elements[head] is null if deque empty } |
peekLast()
peekLast()的作用是返回但不刪除Deque尾端元素，也即是tail位置前面的那個元素。
|
1 2 3 |
public E peekLast() { return elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)]; } |
打賞支援我寫出更多好文章，謝謝！
打賞作者
打賞支援我寫出更多好文章，謝謝！
