java基础 - 14 Java的Deque之Deque、BlockingDeque、LinkedBlockingDeque、ArrayDeque

Java 中的 Deque(双端队列)是一种具有队列和栈特性的数据结构,它允许在两端进行插入和删除操作。Deque 接口是 Java 集合框架中的一部分,它定义了双端队列的基本操作。

BlockingDeque 接口: BlockingDeque 接口是 Deque 接口的子接口,它表示一个支持阻塞操作的双端队列。它定义了一些阻塞方法,如 putFirst(), putLast(), takeFirst(), takeLast() 等,这些方法在队列满或空时会阻塞线程。

LinkedBlockingDeque 类: LinkedBlockingDeque 类是 BlockingDeque 接口的一个实现,它基于链表实现了一个无界的阻塞双端队列。它支持并发访问,并提供了阻塞的插入和删除操作。由于它是无界队列,因此可以根据需要添加任意数量的元素。

ArrayDeque 类: ArrayDeque 类是 Deque 接口的一个实现,它基于数组实现了一个双端队列。它支持并发访问,并提供了高效的插入和删除操作。ArrayDeque 是一个动态调整大小的数组,可以根据需要自动增加或缩小容量。

Deque

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Deque 接口: Deque 接口是 Java 集合框架中双端队列的根接口。它扩展了 Queue 接口,并添加了从两端操作队列的方法,如 addFirst(), addLast(), removeFirst(), removeLast() 等。

  • addFirst(E e):在双端队列的开头插入指定元素。
  • addLast(E e):在双端队列的末尾插入指定元素。
  • removeFirst():移除并返回双端队列的第一个元素。
  • removeLast():移除并返回双端队列的最后一个元素。
  • getFirst():获取双端队列的第一个元素,但不移除。
  • getLast():获取双端队列的最后一个元素,但不移除。
  • peekFirst():获取双端队列的第一个元素,如果队列为空则返回 null。
  • peekLast():获取双端队列的最后一个元素,如果队列为空则返回 null。

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Deque 接口有多个实现类,常用的有:

  • ArrayDeque:基于数组实现的双端队列,它是一个动态调整大小的数组,可以根据需要自动增加或缩小容量。
  • LinkedList:基于链表实现的双端队列,它提供了高效的插入和删除操作,但访问元素的性能较低。
  • LinkedBlockingDeque:基于链表实现的无界阻塞双端队列,它支持并发访问,并提供了阻塞的插入和删除操作。
import java.util.Deque;
import java.util.ArrayDeque;public class Main {public static void main(String[] args) {Deque<Integer> deque = new ArrayDeque<>();deque.addFirst(1);deque.addLast(2);deque.addFirst(3);System.out.println(deque); // 输出 [3, 1, 2]int first = deque.removeFirst();System.out.println(first); // 输出 3int last = deque.removeLast();System.out.println(last); // 输出 2int peekFirst = deque.peekFirst();System.out.println(peekFirst); // 输出 1int peekLast = deque.peekLast();System.out.println(peekLast); // 输出 1System.out.println(deque); // 输出 [1]}
}

我们创建了一个 ArrayDeque 对象,并使用 addFirst() addLast() 方法在双端队列的开头和末尾插入元素。然后使用 removeFirst() removeLast() 方法移除元素。使用 peekFirst()peekLast() 方法获取元素但不移除。最后输出双端队列的内容。

BlockingDeque

他是Java集合中的一个接口,是Deque的子接口,表示一个支持阻塞操作的双向队列。BlockingDeque 继承了 Deque 接口的所有方法,并添加了一些阻塞方法,这些方法在队列满或空时会阻塞线程,直到队列可用或有元素可用时才会继续执行。
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  • putFirst(E e):将指定元素插入到双端队列的开头,如果队列已满,则阻塞当前线程直到队列可用。
  • putLast(E e):将指定元素插入到双端队列的末尾,如果队列已满,则阻塞当前线程直到队列可用。
  • takeFirst():移除并返回双端队列的第一个元素,如果队列为空,则阻塞当前线程直到有元素可用。
  • takeLast():移除并返回双端队列的最后一个元素,如果队列为空,则阻塞当前线程直到有元素可。
  • offerFirst(E e, long timeout, TimeUnit unit):将指定元素插入到双端队列的开头,如果队列已满,则阻塞当前线程一段时间,直到超时或队列可用。
  • offerLast(E e, long timeout, TimeUnit unit):将指定元素插入到双端队列的末尾,如果队列已满,则阻塞当前线程一段时间,直到超时或队列可用。
  • pollFirst(long timeout, TimeUnit unit):移除并返回双端队列的第一个元素,如果队列为空,则阻塞当前线程一段时间,直到超时或有元素可用。
  • pollLast(long timeout, TimeUnit unit):移除并返回双端队列的最后一个元素,如果队列为空,则阻塞当前线程一段时间,直到超时或有元素可用。

其他方法:
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import java.util.concurrent.BlockingDeque;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;public class Main {public static void main(String[] args) {BlockingDeque<Integer> blockingDeque = new LinkedBlockingDeque<>(2);try {blockingDeque.putFirst(1);blockingDeque.putLast(2);System.out.println(blockingDeque); // 输出 [1, 2]blockingDeque.putFirst(3); // 阻塞当前线程,直到队列可用blockingDeque.putLast(4); // 阻塞当前线程,直到队列可用} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}
}

创建了一个容量为 2 的 LinkedBlockingDeque 对象,并使用 putFirst() 和 putLast() 方法向双端队列中插入元素。当队列已满时,putFirst() 和 putLast() 方法会阻塞当前线程,直到队列可用。

由于我们的队列容量为 2,并且已经插入了两个元素,所以在插入第三个和第四个元素时,当前线程会被阻塞,直到队列中有空间可用。

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是Java中的一个双向链表阻塞队列,它实现了BlockingQueue接口,可以用于实现生产者-消费者模式等多线程场景。在本篇博客中,我将详细介绍LinkedBlockingDeque的特性、用法以及示例代码。

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LinkedBlockingDeque的常用方法

  • add(E e):将指定元素添加到队列的尾部,如果队列已满,则抛出IllegalStateException异常。
  • offer(E e):将指定元素添加到队列的尾部,如果队列已满,则返回false。
  • put(E e):将指定元素添加到队列的尾部,如果队列已满,则阻塞直到队列有空间可用。
  • offerFirst(E e):将指定元素添加到队列的头部,如果队列已满,则返回false。
  • offerLast(E e):将指定元素添加到队列的尾部,如果队列已满,则返回false。
  • poll():获取并移除队列头部的元素,如果队列为空,则返回null。
  • poll(long timeout, TimeUnit unit):在指定的时间内等待,获取并移除队列头部的元素,如果超时仍未有元素可用,则返回null。
  • take():获取并移除队列头部的元素,如果队列为空,则阻塞直到队列非空。
  • pollFirst():获取并移除队列头部的元素,如果队列为空,则返回null。
  • pollLast():获取并移除队列尾部的元素,如果队列为空,则返回null。
  • peek():获取但不移除队列头部的元素,如果队列为空,则返回null。
  • peekFirst():获取但不移除队列头部的元素,如果队列为空,则返回null。
  • peekLast():获取但不移除队列尾部的元素,如果队列为空,则返回null。
  • remove(Object o):从队列中移除指定元素,如果存在该元素则返回true,否则返回false。
  • contains(Object o):判断队列是否包含指定元素,如果包含则返回true,否则返回false。

其他方法:
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LinkedBlockingDeque的特性

  • 双向链表结构:LinkedBlockingDeque内部采用双向链表实现,可以高效地支持在队列两端的插入和删除操作。
  • 阻塞操作:当队列为空时,从队列中获取元素的操作会被阻塞,直到队列中有元素可用;当队列已满时,向队列中添加元素的操作也会被阻塞,直到队列有空间可用。
  • 无界队列:LinkedBlockingDeque在构造时可以选择是否设置队列的容量限制,如果不设置容量限制,则队列大小理论上可以无限增长。

LinkedBlockingDeque的使用

  1. 创建LinkedBlockingDeque对象
LinkedBlockingDeque<String> deque = new LinkedBlockingDeque<>();
  1. 添加元素到队列
deque.add("Element 1"); // 添加元素到队列尾部
deque.offerFirst("Element 2"); // 添加元素到队列头部
  1. 获取并移除队列元素
String element = deque.poll(); // 获取并移除队列头部元素
String lastElement = deque.pollLast(); // 获取并移除队列尾部元素
  1. 获取但不移除队列元素
String peekElement = deque.peek(); // 获取但不移除队列头部元素
String peekLastElement = deque.peekLast(); // 获取但不移除队列尾部元素
  1. 阻塞操作
String element = deque.take(); // 阻塞直到队列非空,然后获取并移除队列头部元素
deque.put("Element 3"); // 阻塞直到队列有空间可用,然后添加元素到队列尾部

示例代码

下面是一个简单的生产者-消费者示例,使用LinkedBlockingDeque作为共享队列:

import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;public class ProducerConsumerExample {private static LinkedBlockingDeque<Integer> queue = new LinkedBlockingDeque<>();public static void main(String[] args) {Thread producer = new Thread(() -> {try {for (int i = 0; i < 10; i++) {queue.put(i);System.out.println("Produced: " + i);Thread.sleep(1000);}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});Thread consumer = new Thread(() -> {try {for (int i = 0; i < 10; i++) {int num = queue.take();System.out.println("Consumed: " + num);}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});producer.start();consumer.start();}
}

LinkedBlockingDeque是一个功能强大的双向链表阻塞队列,适用于多线程生产者-消费者模式等场景。通过阻塞操作和双向链表结构,它能够高效地支持并发操作。在实际应用中,可以根据具体需求选择合适的队列实现来提升系统性能和可靠性。

ArrayDeque

ArrayDeque的特性

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  • 数组实现:ArrayDeque内部使用数组来存储元素,可以高效地支持在队列两端的插入和删除操作。
  • 双端队列:ArrayDeque既可以作为队列使用,也可以作为栈使用。它支持在队列的头部和尾部进行元素的插入和删除,因此可以灵活地满足不同的需求。
  • 无界队列:ArrayDeque在构造时不需要指定容量大小,它的大小会根据实际元素的数量自动调整,理论上可以无限增长。
  • 非线程安全:ArrayDeque不是线程安全的,如果需要在多线程环境下使用,需要进行适当的同步处理。

注意

  • 非线程安全:ArrayDeque不是线程安全的,如果需要在多线程环境下使用,需要进行适当的同步处理。可以使用Collections.synchronizedDeque()方法创建一个线程安全的ArrayDeque。

  • 不支持null元素:ArrayDeque不支持存储null元素,如果尝试添加null元素,会抛出NullPointerException异常。

  • 避免频繁调整容量:ArrayDeque的内部实现是通过循环数组来存储元素,当队列的容量不足时,会自动进行扩容。在频繁添加或删除元素的场景下,可能会导致多次扩容,影响性能。如果事先能够大致估计队列的大小,可以通过构造函数ArrayDeque(int numElements)来指定初始容量,避免频繁的容量调整。

  • 适用于频繁操作两端的场景:ArrayDeque的优势在于支持高效地在队列的两端进行插入和删除操作。如果只需要在队列的一端进行操作,建议使用LinkedList或ArrayBlockingQueue等其他队列实现。

  • 注意栈操作的顺序:如果将ArrayDeque用作栈使用,需要注意栈操作的顺序。使用push()方法将元素添加到栈顶,使用pop()方法移除并返回栈顶元素。栈操作需要保持一致的顺序,否则可能导致元素顺序的混乱。

  • 避免过度依赖索引操作:由于ArrayDeque是基于数组实现的,它支持通过索引来访问元素。但是,在频繁插入和删除元素的场景下,使用索引操作可能会导致性能下降。因此,在使用ArrayDeque时,应尽量避免过度依赖索引操作,而是使用队列提供的方法来操作元素。

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ArrayDeque的使用

  1. 创建ArrayDeque对象
ArrayDeque<String> deque = new ArrayDeque<>();
  1. 添加元素到队列
deque.add("Element 1"); // 添加元素到队列尾部
deque.offerFirst("Element 2"); // 添加元素到队列头部
  1. 获取并移除队列元素
String element = deque.poll(); // 获取并移除队列头部元素
String lastElement = deque.pollLast(); // 获取并移除队列尾部元素
  1. 获取但不移除队列元素
String peekElement = deque.peek(); // 获取但不移除队列头部元素
String peekLastElement = deque.peekLast(); // 获取但不移除队列尾部元素
  1. 栈操作
deque.push("Element 3"); // 将元素添加到栈顶
String popElement = deque.pop(); // 移除并返回栈顶元素

示例代码

import java.util.ArrayDeque;public class ArrayDequeExample {public static void main(String[] args) {ArrayDeque<String> queue = new ArrayDeque<>();queue.offer("Element 1");queue.offer("Element 2");System.out.println(queue.poll()); // 输出: Element 1ArrayDeque<String> stack = new ArrayDeque<>();stack.push("Element 3");stack.push("Element 4");System.out.println(stack.pop()); // 输出: Element 4}
}

ArrayDeque是一个非常实用的双端队列,可以灵活地支持队列和栈的操作。通过数组实现和双端插入和删除操作,它能够高效地满足不同场景下的需求。在实际应用中,可以根据具体需求选择合适的队列实现来提升系统性能和可靠性。

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