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详解ArrayDeque的循环数组实现_头尾指针移动的逻辑原理解析

P粉602998670

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发布时间:2026-02-12 16:18:58

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来源于php中文网

原创

arraydeque 的 head 指向队首元素,tail 指向下一个要插入位置,二者在固定数组中通过模运算(位运算优化)循环移动;扩容按需扩至最小2的幂,禁止 null 元素以确保 peek 返回 null 即为空。

详解arraydeque的循环数组实现_头尾指针移动的逻辑原理解析

ArrayDeque 的 head 和 tail 怎么动?

它不是靠“移动数组”,而是靠两个整数指针在固定大小的数组里绕圈走。head 指向队首元素,tail 指向**下一个要插入的位置**(不是队尾元素)。两者初始都是 0,插入时 tail++,弹出时 head++;当越界就模数组长度,形成循环。

常见错误现象:ArrayDeque 突然报 NullPointerException 或行为反直觉,往往是因为手动修改了 head/tail 字段(它们是包私有字段,不可直接访问),或误以为 tail - head 就是 size——实际得用 (tail - head) & (elements.length - 1)(因为 length 是 2 的幂)。

  • 插入操作(addLast / push)只动 tail,但会先检查是否扩容:若 tail == head 且数组已满,则触发扩容
  • 删除操作(removeFirst / pop)只动 head,删完不置 null(靠 GC 引用判断)
  • 扩容不是翻倍,而是按需扩到能容纳当前 size + 1 的最小 2 的幂(例如 size=15 → 扩到 32)

为什么 ArrayDeque 的数组长度必须是 2 的幂?

为了用位运算替代取模,加速索引计算。所有下标访问(比如 elements[(head + i) & (elements.length - 1)])都依赖 length - 1 是全 1 的二进制数(如 15 → 0b1111),这样 & 就等价于 % length,但快一个数量级。

使用场景:高频增删、对延迟敏感(如事件循环、解析器 token 缓冲区)。如果你硬塞进去非 2 的幂长度的数组(通过反射),ArrayDeque 会直接崩——它的构造函数内部强制重置为 2 的幂。

  • 创建时传入初始容量 10,实际分配长度是 16
  • 扩容后新数组仍是 2 的幂,旧元素通过 & 运算重新散列到新位置
  • 别试图复用 ArrayDeque 数组做其他用途,它的 layout 是严格按循环队列设计的

peekFirst/peekLast 返回 null 说明什么?

说明队列为空,不是 bug,是约定行为。但要注意:如果队列里存的是 null 元素(虽然 ArrayDeque 不允许 add null),那 peek 返回 null 就无法区分“空队列”和“队首是 null”。所以它干脆禁止 null,避免歧义。

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常见错误现象:代码里写了 if (deque.peekFirst() != null) 就认为有元素,结果逻辑跳过——其实只要队列非空,peekFirst 就一定返回非 null 值;反之,返回 null 就代表 isEmpty() 为 true。

  • pollFirst()pollLast() 也返回 null 表示空,不是异常
  • 想抛异常用 removeFirst(),它在空时抛 NoSuchElementException
  • 别用 == null 判断是否为空,用 isEmpty() 更准确、语义清晰

ArrayDeque 和 LinkedList 在栈场景下谁更快?

ArrayDeque 几乎总是更快。它没有节点对象开销、缓存局部性好、指令少。JDK 文档明确建议:当作栈用时,优先选 ArrayDeque 而不是 LinkedList

性能影响:压栈 100 万次,ArrayDeque 通常比 LinkedList 快 2–5 倍;内存占用低 30%+(无 Node 对象的 24 字节头+引用冗余)。

  • push() 对应 addFirst()pop() 对应 removeFirst()
  • LinkedList 的每个操作都要 new Node,GC 压力大;ArrayDeque 只在扩容时 new 数组
  • 如果栈深度波动极大(比如从 10 到 100 万),ArrayDeque 扩容成本可接受,而 LinkedList 的随机访问慢(get(i) 是 O(n))

ArrayDeque 的循环本质不在数组“物理循环”,而在指针计算方式;真正容易被忽略的是:它的所有边界判断都基于位运算,一旦破坏 length 是 2 的幂这个前提,整个逻辑就失效——这不是实现细节,是设计契约。

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