深刻理解ArrayDeque的设计与实现

前言

最近在研读OkHttp源码，发现它的Dispatcher分发器使用了ArrayDeque数据集合，这个集合类是java.util里提供的双端队列/栈，非线程安全，可是性能很好，很是值得研究一下。

基本设计

咱们先总体推测一下ArrayDeque的设计思路。

功能

每一种集合类的具体功能，基本上都是增/删/改/查四大项，ArrayDeque也不例外，只不过它更贴近于栈的功能，主要操做栈顶和栈底的数据，对于栈中的数据，只有delete一个函数。

问题

Java中通常只有两种基础的数据容器，数组或链表。数组排列紧密、下标查找快、中间插入慢；链表排列稀疏、查找慢，中间插入快。对于栈结构来讲，采用数组更具优点，ArrayDeque也是采用了数组来做为基本数据容器，也须要处理数组扩容问题。

不过，传统的数组都是线性数组，向尾部添加数据当然很方便，可是向中间添加数据的话，就须要挪动插入点以后的全部数据，若是向头部添加数据的话，整个数组都要挪一遍，虽然Java提供了Native函数System.arrayCopy来提高效率，可是对内存的操做是不可避免的。

循环数组

为了提升效率，ArrayDeque采用了循环数组的设计，也就是说虽然基础容器是一个普通的数组（默认容量16），可是在逻辑上，这个数组没有固定的开头或结尾，既能够直接向尾部添加数据，也能够直接向头部以前添加数据，不须要大面积地移动数据。
逻辑上的概念大概是这样的：

具体实现及优化

循环数组在概念上没有左右边界，可是Java并无这样的数组，Java只能提供固定大小的数组，这样的话，如何实现循环数组就转变为如何利用固定数组实现循环数组。
相对于线性数组，循环数组是连续的，可是数组的头和尾可能在任何位置，因此循环数组在真实数据中的映射大概是这样：

在物理数组中的循环数组

在逻辑上，队首老是在左边，队尾老是在右边，可是若是持续向队首插入数据，就很容易把队首”顶“出物理容器的左边界，”顶“进物理容器的右侧。
这时候，咱们能够看到，循环数组在物理数组中最大的问题是， 不少时候，逻辑上连续，但物理上被分红了两截。
因此，ArrayDeque须要针对如下操做，作特殊处理：

1.添加/删除头

主要判断头的新位置在左侧仍是右侧。
先看添加：
head的新位置必定是head-1，若是获得的结果为-1，就须要挪到右侧，也就是物理数组中的最后一个位置length-1。
若是让咱们本身来写，多是这样写：

if(head-1<0){ head=elements.length -1; }else{ head=head-1; } elements[head]=e; 复制代码

事实上，ArrayDeque使用了更精妙的实现，他用一步位与运算实现了这个功能：

elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
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这行代码具体什么意思呢？
当head-1为-1时，其实是11111111&00001111，结果是00001111，也就是物理数组的尾部15；
当head-1为较小的值如3时，其实是00000011&00001111，结果是00000011，仍是3。
当head增加如head+1超过物理数组长度如16时，其实是00010000&00001111，结果是00000000，也就是0，这样就回到了物理数组的头部。
因此，位与运算能够很轻松地实现把数据控制在某个范围内。
回过头来，咱们再看删除头的代码：

elements[h] = null; // Must null out slot
            head = (h + 1) & (elements.length - 1);
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先清空数据，而后移动head位置，也是用位与运算实现的。
位运算原本就很是高效，ArrayDeque的这种写法，更是用一行代码覆盖了函数中的全部场景，很是精妙。

2.添加/删除尾

主要判断尾的新位置在左侧仍是右侧，具体操做和上一步添加/删除头相似。

3.删除中间某个数据

删除中间元素时，即便是循环数组，也须要批量移动数组元素了，因此删除中间元素实际上面临三个问题，一是须要在左侧或右侧删除，二是须要挪动头或尾，三是优化须要，尽可能少得移动数组元素。
ArrayDeque其实是先从第三个问题入手的，先判断中间元素里head近仍是离tail近，而后移动较近的那一端。
不过，较近的一端只是逻辑上较近，物理数组上，可能被分红了两截，这就须要作两次数组元素的批量移动。

//ArrayDeque源码（部分状况）
                System.arraycopy(elements, 0, elements, 1, i);
                elements[0] = elements[mask];
                System.arraycopy(elements, h, elements, h + 1, mask - h);
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4.计算队列长度，若是物理上不连续，须要特别计算真正的数据。

若是让咱们本身写，可能也是分条件判断，分别计算两截的数据。
ArrayDeque又使用了位与运算：

return (tail - head) & (elements.length - 1);
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也是只有一行，当物理上被分为两截时，tail-head会是负数，整个操做至关于取模运算，例如，当tail为3，head为14，物理数组长度16时，运算的就是11110101&00001111，值为00000101，也就是5。

5.复制一个线性数组toArray

从基本操做上，若是物理上不连续，先复制右侧，再补上左侧。
toArray的问题在于新数组的长度是动态的，为了生成大小恰好的新数组，ArrayDeque使用了Arrays工具类来实现这个特定长度的数组，并同时实现对head一侧数据的复制：

boolean wrap = (tail < head);
int end = wrap ? tail + elements.length : tail;
Object[] a = Arrays.copyOfRange(elements, head, end);
if (wrap)
     System.arraycopy(elements, 0, a, elements.length - head, tail);
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这样的话，若是物理空间连续，就直接复制完成；
但若是物理空间不连续，第一次Arrays.copyOfRange须要保证一次性生成足够的物理空间，因此end的值不能是length（不然长度就只有length-head这么长），而应该是tail+length。

6.空间扩容。

数据容器的扩容其实能够分解为两个问题，一是什么时候开始扩容，二是旧数组数据的复制。
对于什么时候开始扩容的问题，为了减小检查的次数，ArrayDeque采用了对head和tail是否重合的检查，只要tail和head不重合，就说明tail后面/head前面还有空间，因此只要在添加头/尾时检查head==tail便可。
对于旧数组数据的复制，空间扩容和问题和toArray有些相似，不一样的是新数组的长度是可知的（2倍），因此能够直接new一个定长的数组，这样就不须要Array.copyOfRange函数，能够统一使用System.arrayCopy：

Object[] a = new Object[newCapacity];
        System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);
        System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);
复制代码

其余

相比ArrayList，咱们能够看到ArrayDeque大量减小了System.arrayCopy的使用，只在delete、clone、扩容和toArray函数中使用了这个函数，其余操做中都不须要大量移动数组元素，这也能够说明ArrayDeque这个数据集合的性能很是优良。