(转)Java--栈与队列


Java中栈与队列相比集合来说不是很常用的数据结构,因此经常被忽略.个人觉得还是有必要掌握下,以备不时之需. Java中实际上提供了java.util.Stack来实现栈结构,但官方目前已不推荐使用,而是使用java.util.Deque双端队列来实现队列与栈的各种需求.如下图所示java.util.Deque的实现子类有java.util.LinkedListjava.util.ArrayDeque.顾名思义前者是基于链表,后者基于数据实现的双端队列.

总体介绍

要讲栈和队列,首先要讲Deque接口。Deque的含义是“double ended queue”,即双端队列,它既可以当作栈使用,也可以当作队列使用。下表列出了Deque与Queue相对应的接口:

下表列出了Deque与Stack对应的接口:

上面两个表共定义了Deque的12个接口。添加,删除,取值都有两套接口,它们功能相同,区别是对失败情况的处理不同。一套接口遇到失败就会抛出异常另一套遇到失败会返回特殊值(false或null)。除非某种实现对容量有限制,大多数情况下,添加操作是不会失败的。虽然Deque的接口有12个之多,但无非就是对容器的两端进行操作,或添加,或删除,或查看。明白了这一点讲解起来就会非常简单。

ArrayDeque

从名字可以看出ArrayDeque底层通过数组实现,为了满足可以同时在数组两端插入或删除元素的需求,该数组还必须是循环的,即循环数组(circular array),也就是说数组的任何一点都可能被看作起点或者终点。ArrayDeque是非线程安全的(not thread-safe),当多个线程同时使用的时候,需要程序员手动同步;另外,该容器不允许放入null元素

上图中我们看到,head指向首端第一个有效元素tail指向尾端第一个可以插入元素的空位。因为是循环数组,所以head不一定总等于0,tail也不一定总是比head大。

addFirst()

针对首端插入实际需要考虑:1.空间是否够用,以及2.下标是否越界的问题。上图中,如果head为0之后接着调用addFirst(),虽然空余空间还够用,但head为-1,下标越界了。下列代码很好的解决了这两个问题。

  public void addFirst(E e) {
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
    //下标越界问题解决方案
    elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
    //容量问题解决方案
    if (head == tail)
        doubleCapacity();
}

上述代码我们看到,空间问题是在插入之后解决的,因为tail总是指向下一个可插入的空位,也就意味着elements数组至少有一个空位,所以插入元素的时候不用考虑空间问题。

下标越界的处理解决起来非常简单,head = (head - 1) & (elements.length - 1)就可以了,这段代码相当于取余,同时解决了head为负值的情况。因为elements.length必需是2的指数倍(构造函数初始化逻辑保证),elements - 1就是二进制低位全1,跟head - 1相与之后就起到了取模的作用,如果head - 1为负数(其实只可能是-1),则相当于对其取相对于elements.length的补码。

下面再说说扩容函数doubleCapacity(),其逻辑是申请一个更大的数组(原数组的两倍),然后将原数组复制过去。过程如下图所示:

图中我们看到,复制分两次进行,第一次复制head右边的元素,第二次复制head左边的元素。

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;
    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;
}

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,由于tail总是指向下一个可以插入的空位,因此只需要elements[tail] = e;即可。插入完成后再检查空间,如果空间已经用光,则调用doubleCapacity()进行扩容。与first比较类似就不多分析了.

其他操作也是差不多的方式,唯一麻烦的head与tail位置转换也用取余巧妙的化解了.

LinkedList

LinkedList实现了Deque接口,因此其具备双端队列的特性,由于其是链表结构,因此不像ArrayDeque要考虑越界问题,容量问题,那么对应操作就很简单了,另外当需要使用栈和队列是官方推荐的是ArrayDeque,因此这里不做多的分析.

作者: 李豪 https://github.com/CarpenterLee/JCFInternals

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