【源】ArrayDeque，Collection框架中不起眼的一个类

最近盯上了java collection框架中一个类——ArrayDeque。很多人可能没用过甚至没听说过这个类（i'm sorry,what's fu*k this?），毕竟你坐在面试官面前的时候，关于数组链表的掌握情况，99%的可能性听到问题会是：说说ArrayList和LinkedList的区别？
今天从ArrayDeque入手，换一个角度来检验下我们是否真正掌握了数组、链表。

父类和接口

不着急分析这个类的核心方法，先看下它的父类和接口，以便在Java Collection宇宙中找准它的定位，顺带从宏观角度窥探下Java Collection框架设计。

父类

父类是AbstractCollection，看下它的方法

add、addAll、remove、clear、iterator、size……是不是都很常见？你常用的xxList中，经常会看到这些方法吧？可以说，AbstractCollection这个抽象类，是这种结构（数组、链表等等）的骨架！

接口

首先是Queue接口，定义出了最基本的队列功能：

那么Deque接口呢？

入眼各种xxFirst、xxLast，这种定义决定了它是双端队列的代表！

框架设计

相继看了父类和接口，楼主你到底想表达啥？嘿嘿，别急，我再反问一个经典问题——抽象类和接口有什么区别？
你可能会有各种回答，比如抽象类能自己有自己的实现之类的。不能说不对，但这种答案相当于只停留在奇技淫巧层面，未得正统。以设计角度来看，其实是is-a（抽象类）和has-a（接口）的区别！

• 抽象类相当于某一个种族的基石

比如定义汽车AbstractCar，会规定有轮子有发动机能跑的就是汽车；各家厂商生产的汽车都逃不出这个范畴，甭管你是大众宝马玛莎拉蒂。

• 接口则关注各种功能

有些汽车多了座椅加热；有些增设了天窗打开功能。但这些功能都是增强型的，并不是每种汽车都会有！

抽象类和接口合理的组合，就产生了奇妙的效果：既能保证种族（类）的结构，又能对其进行扩展（接口）。给出大家熟悉的ArrayList和LinkedList，仔细感受下：

这种设计不仅仅限于Java Collection，开源框架中也是如此，比如Spring IOC中的Context、Factory那部分……

分析

回归到本文的主角 ArrayDeque，既然它实现了Deque，自然具备双端队列的特性。类名中的 Array姓氏，无时无刻不在提醒我们，它是基于数组实现的。

类注释中，有句话引起了我的注意：

/**
 * This class is likely to be faster than
 * {@link Stack} when used as a stack, and faster than {@link LinkedList}
 * when used as a queue.
 */

（Stack先不管）注释中后半句说，ArrayDeque作为队列时比LinkedList快，看看它是怎么办到的！

三大属性：

transient Object[] elements;    //基于数组实现
transient int head;    //头指针
transient int tail;    //尾巴指针

技术敏感的同学已经能猜到它是怎么实现的了:数组作为基底，两个指分指头尾，插入删除操作时移动指针；如果头尾指针重合，则需要扩容……

下面看看源码实现，是否和我们猜测的一致。

构造器

private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;

// ******  Array allocation and resizing utilities ******

private static int calculateSize(int numElements) {
    int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;
    // Find the best power of two to hold elements.
    // Tests "<=" because arrays aren't kept full.
    if (numElements >= initialCapacity) {
        initialCapacity = numElements;
        initialCapacity |= (initialCapacity >>>  1);
        initialCapacity |= (initialCapacity >>>  2);
        initialCapacity |= (initialCapacity >>>  4);
        initialCapacity |= (initialCapacity >>>  8);
        initialCapacity |= (initialCapacity >>> 16);
        initialCapacity++;

        if (initialCapacity < 0)   // Too many elements, must back off
            initialCapacity >>>= 1;// Good luck allocating 2 ^ 30 elements
    }
    return initialCapacity;
}

规定最小值MIN_INITIAL_CAPACITY = 8，如果入参小于8，数组大小就定义成8；如果大于等于8，这一通右移是啥操作？假如我们传入了16，二进制10000，逐步分析下：

1.initialCapacity |= (initialCapacity >>> 1)
右移1位作|操作，10000->01000，'或' 操作后11000

2.initialCapacity |= (initialCapacity >>> 2)
接上一步，右移2位作|操作，11000->00110，'或' 操作后11110

3.initialCapacity |= (initialCapacity >>> 4)
接上一步，右移4位作|操作，11110->00001，'或' 操作后 11111

……

后面就两步都是11111 | 00000，结果就是 11111

4.initialCapacity++
二进制数11111，+1之后100000，转换成十进制32

最终的负值判断（用于处理超int正向范围情况），先不考虑。
结论：这些'或' 操作，最终得到了大于入参的2的次幂中最小的一个。

底层数组始终是2的次幂，为什么如此？带着这个问题继续往下分析

// The main insertion and extraction methods are addFirst,
// addLast, pollFirst, pollLast. The other methods are defined in
// terms of these.

以上注释有云，核心方法就4个，我们从add方法入手。

插入

• addFirst

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

head = (head - 1) & (elements.length - 1)，玄机就在这里。如果你对1.8的HashMap足够了解，就会知道hashmap的数组大小同样始终是2的次幂。其中很重要的一个原因就是：当lengh是2的次幂的时候，某数字 x 的操作 x & (length - 1) 等价于 x % length，而对二进制的计算机来说 & 操作要比 % 操作效率更好！
而且head = (head - 1) & (elements.length - 1)，（head初始值0）第一次就将head指针定位到数组末尾了。

画图分析下：

可见，head指针从后向前移动。

• addLast

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

addLast和addFirst原理相同，只是addLast控制tail指针，从前向后移动！

上图中再做一次add操作，指针将会重合。比如，再一次addFirst之后：

if (head == tail)
        doubleCapacity();    //扩容触发

扩容

private void doubleCapacity() {
    assert head == tail;
    int p = head;
    int n = elements.length;
    int r = n - p; // number of elements to the right of p
    int newCapacity = n << 1;    //左移，等价乘2，依然保持2的次幂
    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;
}

通过数组拷贝和重新调整指针，完成了扩容。

至于pollFirst、pollLast是addFirst、addLast的相反操作，原理相似，不多做分析。

回到那个问题：作为队列时，ArrayDeque效率为什么会比LinkedList更好？
我觉得因为LinkedList作为队列实现，新增修改要多修改节点的pre、next指针，且地址非连续，寻址时也会比array花更多时间。

参考

这次，彻底弄懂接口及抽象类
Jdk1.6 Collections Framework源码解析(3)-ArrayDeque