Java 集合源码中 ArrayDeque 怎么通过循环数组实现双端队列

梦瑶同学_4408

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2026-09-09

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arraydeque是基于循环数组实现的双端队列,不支持null、非线程安全;通过head/tail索引与位运算(容量为2的幂)实现高效首尾操作,扩容时翻倍并重排元素。

java 集合源码中 arraydeque 怎么通过循环数组实现双端队列

ArrayDeque 是 Java 中基于循环数组实现的双端队列(Deque),它不支持 null 元素,且线程不安全,但性能优于 LinkedList(尤其在头尾操作上)。它的核心在于用一个普通数组 + 两个索引(head 和 tail)模拟“首尾均可增删”的逻辑,而**不真正移动元素**,靠索引绕回实现空间复用。

循环数组的关键设计:head 和 tail 的含义

ArrayDeque 内部维护一个数组 elements[] 和两个 int 字段:

  • head:指向队列**第一个元素**的位置(即 elements[head] 是队首);初始为 0。
  • tail:指向队列**下一个可插入位置**(即新元素将放在 elements[tail]);初始为 0。

注意:tail 不是最后一个元素下标,而是“待插入位”,所以队列长度 = (tail - head) & (elements.length - 1)(前提是容量为 2 的幂)。

为什么容量必须是 2 的幂?

ArrayDeque 在扩容时总是将容量设为大于等于所需大小的最小 2 的幂(如 1→2→4→8…)。这样做的根本目的是用位运算替代取模,高效实现循环索引:

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  • 获取第 i 个元素: elements[(head + i) & (elements.length - 1)]
  • 前进 head(出队首): head = (head + 1) & (elements.length - 1)
  • 前进 tail(入队尾): tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)

因为当 length = 2ⁿ 时,length - 1 的二进制是 n 个 1(如 8−1=7 → 0b111),& 运算等价于对 length 取模,且无分支、无溢出风险,比 % 快得多。

头尾插入/删除如何避免数据搬移?

所有操作都只更新 head/tail 索引,数组内容不动:

  • addFirst(e):先让 head = (head - 1) & (len-1),再赋值 elements[head] = e。
  • addLast(e):先赋值 elements[tail] = e,再让 tail = (tail + 1) & (len-1)。
  • removeFirst():读 elements[head],再 head = (head + 1) & (len-1)。
  • removeLast():先 tail = (tail - 1) & (len-1),再读 elements[tail]。

例如初始空 deque(len=8, head=0, tail=0):
→ addFirst(1):head 变为 7,elements[7]=1;
→ addLast(2):elements[0]=2,tail 变为 1;
此时队列为 [1,2],实际存储为 elements[7]=1, elements[0]=2 —— 物理不连续,逻辑首尾分明。

扩容机制:如何保持循环性?

当 tail == head 且有新元素要加入时(即数组满),触发扩容。新数组长度翻倍(仍为 2 的幂),然后将旧数组中从 head 到 tail−1 的元素(跨边界时分两段拷贝)按顺序复制到新数组开头,重置 head=0,tail=旧 size。

例如旧数组 len=4, head=3, tail=3(满),元素分布在 elements[3], [0], [1], [2];扩容后新数组 len=8,这 4 个元素被依次拷贝到新数组的索引 0~3,head=0, tail=4 —— 循环结构被“拉直”重建,后续操作继续高效循环。

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