深刻理解循环队列----循环数组实现ArrayDeque

     咱们知道队列这种数据结构的物理实现方式主要仍是两种，一种是链队列（自定义节点类），另外一种则是使用数组实现，二者各有优点。此处咱们将要介绍的循环队列实际上是队列的一种具体实现，因为通常的数组实现的队列结构在频繁出队的状况下，会产生假溢出现象，致使数组使用效率下降，因此引入循环队列这种结构。本文将从如下两个大角度介绍循环队列这种数据结构：

• 循环数组实现循环队列
• Java中具体实现容器类ArrayDeque

1、循环队列
     为了深入体会到循环队列这个结构优于非循环队列的地方，咱们将首先介绍数组实现的非循环队列结构。队列这种数据结构，不管你是用链表实现，仍是用数组实现，它都是要有两个指针分别指向队头和队尾。在咱们数组的实现方式中，用两个int型变量用于记录队头和队尾的索引。

一个队列的初始状态，head和tail都指向初始位置（索引为0处）。head永远指向该队列的队头元素，tail则指向该队列最后一个元素的下一位置，当有入队操做时：

当有出队操做时：

当遇到出队操做时，head会移向下一元素位置。固然，对于这种方式入队和出队，队空的判断条件显然是head=tail，队满的判断条件是tail=array.length（数组最后一个位置的下一位置）。显然，这种结构最致命的缺陷就是，tail只知道向后移动，一旦到达数组边界就认为队满，可是队列可能时刻在出队，也就是前面元素都出队了，tail也不知道。例如：

此时tail判断队满，咱们暂时认为资源利用是能够接受的，可是若是接下来不断发生出队操做：

此时tail依然经过判断，认为队满，不能入队，这时数组的利用率咱们是不能接受的，这样浪费很大。因此，咱们引入循环队列，tail能够经过mode数组的长度实现回归初始位置，下面咱们具体来看一下。

按照咱们的想法，一旦tail到达数组边界，那么能够经过与数组长度取模返回初始位置，这种状况下判断队满的条件为tail=head

此时tail的值为8，取模数组长度8获得0，发现head=tail，此时认为队列满员。这是合理的，可是咱们忽略了一个重要的点，判断队空的条件也是head=tail，那么该怎么区分是队空仍是队满呢？解决办法是，空出队列中一个位置，若是(tail+1)%array.length=head，咱们就认为队满，下面说明其合理性。

上面遇到的问题是，tail指向了队尾的后一个位置，也就是新元素将要被插入的位置，若是该位置和head相等了，那么必然说明当前状态已经不能容纳一个元素入队（间接的说明队满）。由于这种状况是和队空的判断条件是同样的，因此咱们选择舍弃一个节点位置，tail指向下一个元素的位置，咱们使用tail+1判断下一个元素插入以后，是否还能再加入一个元素，若是不能了说明队列满，不能容纳当前元素入队（其实还剩下一个空位置），看图：

tail经过取模，回归到初始位置，咱们判断tail+1是否等于head，若是等于说明队满，不容许入队操做，固然这是牺牲了一个节点位置来实现和判断队空的条件进行区分。上述文字基本完成了队循环队列的理论介绍，下面咱们看在Java中对该数据结构的具体实现是怎样的。

2、双端队列实现类ArrayDeque
     ArrayDeque中主要有如下几个属性域：

transient Object[] elements;
transient int head;
transient int tail;
private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;

elements就是咱们上述介绍用于存储队列中每一个节点，不过在ArrayDeque中该数组长度是没有限制的，采用一种动态扩容机制实现动态扩充数组容量。head和tail分别表明着头指针和尾指针。MIN_INITIAL_CAPACITY 表明着建立一个队列的最小容量，具体使用状况在下文详细介绍。如今咱们看下它的几个构造函数：

public ArrayDeque() {
    elements = new Object[16];
}
public ArrayDeque(int numElements) {
    allocateElements(numElements);
}

若是没有指定显式传入elements的长度，则默认16。若是显式传入一个表明elements的长度的变量，那么会调用allocateElements作一些简单的处理，并不会简单的将你传入的参数用来构建elements，它会获取最接近numElements的2的指数值，好比：numElements等于20，那么elements的长度会为32，numElements为11，那么对应elements的长度为16。可是若是你传入一个小于8的参数，那么会默认使用咱们上述介绍的静态属性值做为elements的长度。至于为何这么作，由于这么作会大大提升咱们在入队时候的效率，咱们等会儿会看到。

入队操做
因为ArrayDeque实现了Deque，因此它是一个双向队列，支持从头部或者尾部添加节点，因为内部操做相似，咱们只简单介绍从尾部添加入队操做。涉及如下一些函数：

public void addLast(E e) {
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
    elements[tail] = e;
    if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
    doubleCapacity();
}

public boolean offerLast(E e) {
    addLast(e);
    return true;
}

public boolean add(E e) {
    addLast(e);
    return true;
}

显然，主要的方法仍是addLast，其实有人可能会疑问，为何要这么多重复的方法呢？其实，虽然咱们这个ArrayDeque它实现了双端队列，而且咱们本篇主要把他当作队列来研究，其实该类彻底能够做为栈或者一些其余结构来使用，因此提供了一些其余的方法，但本质上仍是某几个方法。此处咱们主要研究下addLast这个方法，该方法首先将你要添加的元素入队，而后经过这条语句判断队是否已满：

if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)

这条语句的判断条件仍是比较难理解的，咱们以前在构造elements元素的时候，说过它的长度必定是2的指数级，因此对于任意一个2的指数级的值减去1以后必然全部位全为1，例如：8-1以后为111，16-1以后1111。而对于tail来讲，当tail+1小于等于elements.length - 1，二者与完以后的结果仍是tail+1，可是若是tail+1大于elements.length - 1，二者与完以后就为0，回到初始位置。这种判断队列是否满的方式要远远比咱们使用符号%直接取模高效，jdk优雅的设计今后可见一瞥。接着，若是队列满，那么会调用方法doubleCapacity扩充容量，

private void doubleCapacity() {
    assert head == tail;
    int p = head;
    int n = elements.length;
    int r = n - p; 
    int newCapacity = n << 1;
    if (newCapacity < 0)
        throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
    Object[] a = new Object[newCapacity];
    System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);
    System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);
    elements = a;
    head = 0;
    tail = n;
}

该方法仍是比较容易理解的，首先会获取到原数组长度，扩大两倍构建一个空数组，接下来就是将原数组中的内容移动到新数组中，下面经过截图演示两次移动过程：

这是一个满队状态，假如咱们如今还须要入队，那么久须要扩容，扩容结果以下：

其实两次移动数组，第一次将head索引以后的全部元素移动到新数组中，第二次将tail到head之间的全部元素移动到新数组中。实际上，就是在移动的时候对原来的顺序进行了调整。对于addFirst只不过是将head向前移动一个位置，而后添加新元素。

出队操做
出队操做和入队同样，具备着多个不一样的方法，可是内部调用的仍是一个pollFirst方法，咱们主要看下该方法的具体实现便可：

public E pollFirst() {
    int h = head;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E result = (E) elements[h];
    if (result == null)
        return null;
    elements[h] = null;
    head = (h + 1) & (elements.length - 1);
    return result;
}

该方法很简单，直接获取数组头部元素便可，而后head日后移动一个位置。这是出队操做，其实删除操做也是一种出队，内部仍是调用了pollFirst方法：

public E removeFirst() {
    E x = pollFirst();
    if (x == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return x;
 }

其余的一些操做
咱们能够经过getFirst()或者peekFirst()获取队头元素（不删除该元素，只是查看）。toArray方法返回内部元素的数组形式。

public Object[] toArray() {
    return copyElements(new Object[size()]);
}

还有一些利用索引或者值来检索具体节点的方法，因为这些操做并非ArrayDeque的优点，此处再也不赘述了。

至此，有关ArrayDeque的简单原理已经介该绍完了，ArrayDeque的主要优点在于尾部添加元素，头部出队元素的效率是比较高的，内部使用位操做来判断队满条件，效率相对有所提升，而且该结构使用动态扩容，因此对队列长度也是没有限制的。在具体状况下，适时选择。