有环形的数组？同时具备栈功能和队列功能？
1. Java 中的栈实现
在 Java 中，栈类你可以直接找到的是Stack类。Stack类实在 JDK 1.0 的时候就有了，但你会发现在Stack类头注释写着：建议优先使用Deque接口及其实现类，例如：ArrayDeque。
1.1. Stack
Stack 继承自 Vector<E>，线程安全，但因每次操作都要加锁，性能较差。Vector 集合基本也不会用到的。
示例：
Stack<Integer> stack = new Stack<>();stack.push(1);int top = stack.peek();int popped = stack.pop();
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1.2. LinkedList
LinkedList实现了Deque双端队列接口，具备了队列功能和栈功能，也就是说LinkedList 可以当做普通 List 集合来用，同时还可以当做栈或队列来使用。
以下是通过 LinkedList 来实现入栈、出栈操作：
LinkedList<String> linkedList = new LinkedList<>();// 入栈linkedList.push("渊");linkedList.push("渟");linkedList.push("岳");linkedList.push("Why?");System.out.println(linkedList); // [Why?, 岳, 渟, 渊]// 获取栈顶元素String peek = linkedList.peek();//不会出栈System.out.println(peek); // Why?// 出栈String pop = linkedList.pop();//出栈一个System.out.println(pop);// Why?linkedList.pop(); //再出栈一个,不获取结果System.out.println(linkedList);// 剩下的元素：[渟, 渊]
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使用双端队列功能时，如果你想将引用改为接口名，❌这样写是错的：List<String> linkedList = new LinkedList<>();✔得这样写才行：Deque<String> linkedList = new LinkedList<>();
1.3. ArrayDeque
Deque接口为双端队列接口，ArrayDeque实现了该接口。
ArrayDeque 看命名就知道是双端队列，并且底层数据结构为数组。ArrayDeque除了具有队列（FIFO）功能，同时它还具备栈（LIFO）功能，所以它可以当做栈来使用。
栈功能示例：
Deque<Integer> deque = new ArrayDeque<>();deque.push(1);deque.push(2);deque.push(3);System.out.println(deque); // [3, 2, 1]int top = deque.peek();System.out.println(top); // 3int popped = deque.pop();System.out.println(popped); // 3System.out.println(deque); // [2, 1]
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LinkedList在集合学习时已经学过了，它的双端队列功能并不会影响底层数据结构，仅仅是操作逻辑不同而已。
在双端队列功能上，LinkedList没有ArrayDeque性能高，通常使用ArrayDeque更多，所以我们详细来学学ArrayDeque有什么独特之处？
2. ArrayDeque 底层原理
在 Java 中，可以通过双端队列Deque的实现类来实现栈功能，常用的有两个：ArrayDeque 和 LinkedList。
两个类继承与实现：
// ArrayDequepublic class ArrayDeque<E> extends AbstractCollection<E> implements Deque<E>, Cloneable, Serializable// LinkedListpublic class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E> implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
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LinkedList 实现类既是List集合、同时又是Deque双端队列，也就是说，这个类具备多种功能：链式集合、链式队列和链式栈三种功能。
ArrayDeque 实现类具备两种功能：队列和栈。
上一篇栈的文章也讲述过使用单链表实现自定义栈，并使用自定义栈完成了有效括号匹配实战，在此，主要完成ArrayDeque栈功能的学习。
2.1. ArrayDeque 的数据结构
看命名就知道是双端队列，并且底层数据结构为数组。ArrayDeque类主要字段如下：
public class ArrayDeque<E> extends AbstractCollection<E> implements Deque<E>, Cloneable, Serializable{ // 数据就保存在这个数组，大小总是2的幂 transient Object[] elements; // 头索引 transient int head; // 尾索引 transient int tail; // 允许最小容量 private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;
...}
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特别说明下MIN_INITIAL_CAPACITY=8，这个最小容量是在你指定ArrayDeque大小时才会用到。比如你指定大小为 7，那它创建出来的大小为 8，它的计算逻辑和 HashMap 的一模一样。ArrayDeque的默认大小为 16。相关代码如下：
// 默认构造方法public ArrayDeque() { elements = new Object[16];}
// 指定大小构造方法public ArrayDeque(int numElements) { allocateElements(numElements);}
private void allocateElements(int numElements) { elements = new Object[calculateSize(numElements)];}
// 计算结果为2的幂次方，跟HashMap的计算逻辑一样private static int calculateSize(int numElements) { int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY; if (numElements >= initialCapacity) { initialCapacity = numElements; initialCapacity |= (initialCapacity >>> 1); initialCapacity |= (initialCapacity >>> 2); initialCapacity |= (initialCapacity >>> 4); initialCapacity |= (initialCapacity >>> 8); initialCapacity |= (initialCapacity >>> 16); initialCapacity++;
if (initialCapacity < 0) initialCapacity >>>= 1; } return initialCapacity;}
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2.2. 为什么大小设置为 2 的幂次方？
如果学过 HashMap 底层实现逻辑，那就非常容易理解，之前的 HashMap 文章还专门讲了这个。
它是HashMap的哈希值映射数组下标和ArrayDeque循环数组得以实现的基石。
使得通过与(&)运算高效完成数组下标映射，非常方便哈希值映射计算和循环索引计算。为得就是方便计算元素索引位置、提高计算效率，特别是扩容后需要做的调整，也变得简单高效。
通过添加元素（入栈）、动态扩容和移除元素（出栈）这些操作感受与（&）运算的巧妙之处。
2.3. 添加元素--入栈
从添加元素开始，直到元素达到阈值后触发动态扩容，再接着学习动态扩容。
元素入栈操作：
Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();stack.push(1); // 相当于 addFirststack.push(2);stack.push(3);stack.push(4);stack.push(5);stack.push(6);stack.push(7);stack.push(8);System.out.println(stack);
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执行结果：
[8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1]
结果怎么反过来的？？
我们看看源码怎么写的
public void push(E e) { addFirst(e);}
public void addFirst(E e) { // 不允许存放 null 元素 if (e == null) throw new NullPointerException(); // 入栈元素位置计算 elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e; if (head == tail) doubleCapacity();}
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计算新的 head 索引并插入元素
elements[ head = (head - 1) & (elements.length - 1) ] = e;
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head为int数据类型，成员变量默认为：0；
head - 1：在当前 head 之前的那个槽位，也就是“往左移一格”，第一次插入时为：-1；
& (elements.length - 1)：取模运算，但因为 elements.length 总是 2 的幂，这里用位运算更高效；
head = …：先更新 head 成新位置，再把 e 存入 elements[head];
这样无论 head 从 0 跑到 -1，按位与都会自动“回绕”到数组末尾，实现循环缓冲。
说那么多也没啥印象，来个计算过程图示：
所以，push入栈是从数组的末端开始，往回入栈的，ArrayDeque的数据结构为循环数组。
循环数组数据结构如图：
2.4. 动态扩容
栈和队列就像 List 集合那样，使用时可能并不会知道集合大小为多少，所以ArrayDeque需要像ArrayList一样需要动态扩容。
ArrayDeque的动态扩容像HashMap一样，扩容时候为 2 的倍数，确保大小一直为 2 的幂次方。
动态扩容只会在元素入栈的时候才会触发，addFirst触发扩容条件的源码
if (head == tail) doubleCapacity();
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动态扩容关键源码为
private void doubleCapacity() { assert head == tail; int p = head; // 数组大小 int n = elements.length; // p右边元素的个数 int r = n - p; // 容量翻倍 int newCapacity = n << 1; if (newCapacity < 0) throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big"); // 创建新数组 Object[] a = new Object[newCapacity]; // 元素第一次拷贝 System.arraycopy(elements, p, a, 0, r); // 元素第二次拷贝 System.arraycopy(elements, 0, a, r, p); // 更新数组为新对象 elements = a; // 重置头尾索引下标 head = 0; tail = n;}
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重点在于，为什么需要拷贝两次？
/* * src 源数组 * srcPos 源数组的起始位置 * dest 目标数组 * destPos 目标数据的起始位置 * length 需要复制数组的长度 */// 元素第一次拷贝System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);// 元素第二次拷贝System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);
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ArrayDeque使用的是双端队列，是一种循环数组，头尾看做是相连的，做两次拷贝的目的是：确保新数组中的元素保持原来入栈的顺序。具体怎么个情况，继续往下看，可视化一步步的讲个明白。
2.5. 彻底搞懂循环数组
举个例子：指定ArrayDeque的大小为 8。先入栈 1、2、3、4、5、6、7、8 元素；再入栈 A、B、C、D、E、F、G、H 元素。
源码如下：
public class ArrayDequeStudy { public static void main(String[] args) { Deque<String> stack = new ArrayDeque<>(6);// 不能等于8，等于8初始大小会变为16 stack.push("1"); stack.push("2"); stack.push("3"); stack.push("4"); stack.push("5"); stack.push("6"); stack.push("7"); stack.push("8"); stack.push("A"); stack.push("B"); stack.push("C"); stack.push("D"); stack.push("E"); stack.push("F"); stack.push("G"); stack.push("H"); System.out.println(stack); // [H, G, F, E, D, C, B, A, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1] String top = stack.peek(); System.out.println(top); // H String pop = stack.pop(); System.out.println(pop); // H System.out.println(stack.pop());// G }}
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通过图形显示处理过程就很好理解了。
1. 第一次扩容的可视化
第一次扩容很好理解，只需执行一次元素拷贝，第二次的拷贝是空拷贝System.arraycopy(elements, 0, a, 8, 0)
2. 扩容完成后，继续插入元素（重点）：
在这里开始会出现环绕的插入，就是数组中的元素拆分成了两段。
也许这样更好理解点，在逻辑处理上ArrayDeque的数据结构是长这样的↓。
push 一个元素 head 逆时针走动一格，写入元素即可。
3. 第二次扩容的可视化
出现两端环绕的情况时，两次拷贝是必不可少的，第一次拷贝的是 head 索引位置的后半段，第二次拷贝的是 0 至 head 的前半段，也就是剩下的那部分。不管是ArrayDeque的栈功能操作，还是双端队列操作，它们都会形成环绕形态的数组，需要进行两次拷贝，才能确保栈 LIFO 和队列 FIFO 元素的顺序正确。
2.6. 移除元素--出栈
出栈操作pop就是将head索引下的元素取出，将 head 右移一位。
主要源码如下：
public E pollFirst() { int h = head; // 取出头元素 E result = (E) elements[h]; if (result == null) return null; // 清空对应数组 elements[h] = null; // 将head右移一位 head = (h + 1) & (elements.length - 1); return result;}
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整个操作过程非常高效，关键源码还是 head 右移一位。
比如：出栈元素 D 的过程
ArrayDeque是循环数组，在常规横向的数组结构上面展示并不直观。
在首尾相连的圆形数组上，右移一位就像是在圆形的数组上顺时针走动一格，没有首尾隔断的感觉。
这样看起来可能更符合循环数组的处理逻辑，出栈操作：
3. 总结
ArrayDeque 是基于循环数组的双端队列实现，既可用作队列（FIFO）也可用作栈（LIFO）。通过两个索引 head／tail 和位运算自动在固定大小（2 的幂）的底层数组中“回绕”操作，当空间用尽时再将数组容量翻倍并平铺原有元素，所有入、删、取操作均为摊销 O(1)，不支持存放 null 且非线程安全，但因无额外节点指针、缓存友好，通常比链表结构性能更优。
通过这篇文章，从栈功能使用到底层原理基本掌握，对ArrayDeque队列操作功能感兴趣的可以自行学习，底层和栈功能是共用的，相信你很快便可掌握双端队列。
文章转载自：渊渟岳
原文链接：https://www.cnblogs.com/dennyLee2025/p/19020842
体验地址：http://www.jnpfsoft.com/?from=001YH
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