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

Java 中的 Deque（雙端隊列）是一種具有隊列和棧特性的數據結構，它允許在兩端進行插入和刪除操作。Deque 接口是 Java 集合框架中的一部分，它定義了雙端隊列的基本操作。

BlockingDeque 接口： BlockingDeque 接口是 Deque 接口的子接口，它表示一個支持阻塞操作的雙端隊列。它定義了一些阻塞方法，如 putFirst(), putLast(), takeFirst(), takeLast() 等，這些方法在隊列滿或空時會阻塞線程。

LinkedBlockingDeque 類： LinkedBlockingDeque 類是 BlockingDeque 接口的一個實現，它基于鏈表實現了一個無界的阻塞雙端隊列。它支持并發訪問，并提供了阻塞的插入和刪除操作。由于它是無界隊列，因此可以根據需要添加任意數量的元素。

ArrayDeque 類： ArrayDeque 類是 Deque 接口的一個實現，它基于數組實現了一個雙端隊列。它支持并發訪問，并提供了高效的插入和刪除操作。ArrayDeque 是一個動態調整大小的數組，可以根據需要自動增加或縮小容量。

Deque

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Deque 接口： Deque 接口是 Java 集合框架中雙端隊列的根接口。它擴展了 Queue 接口，并添加了從兩端操作隊列的方法，如 addFirst(), addLast(), removeFirst(), removeLast() 等。

  • addFirst(E e)：在雙端隊列的開頭插入指定元素。
  • addLast(E e)：在雙端隊列的末尾插入指定元素。
  • removeFirst()：移除并返回雙端隊列的第一個元素。
  • removeLast()：移除并返回雙端隊列的最后一個元素。
  • getFirst()：獲取雙端隊列的第一個元素，但不移除。
  • getLast()：獲取雙端隊列的最后一個元素，但不移除。
  • peekFirst()：獲取雙端隊列的第一個元素，如果隊列為空則返回 null。
  • peekLast()：獲取雙端隊列的最后一個元素，如果隊列為空則返回 null。
    …

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Deque 接口有多個實現類，常用的有：

  • ArrayDeque：基于數組實現的雙端隊列，它是一個動態調整大小的數組，可以根據需要自動增加或縮小容量。
  • LinkedList：基于鏈表實現的雙端隊列，它提供了高效的插入和刪除操作，但訪問元素的性能較低。
  • LinkedBlockingDeque：基于鏈表實現的無界阻塞雙端隊列，它支持并發訪問，并提供了阻塞的插入和刪除操作。
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); // 輸出 [3, 1, 2]int first = deque.removeFirst();System.out.println(first); // 輸出 3int last = deque.removeLast();System.out.println(last); // 輸出 2int peekFirst = deque.peekFirst();System.out.println(peekFirst); // 輸出 1int peekLast = deque.peekLast();System.out.println(peekLast); // 輸出 1System.out.println(deque); // 輸出 [1]}
}

我們創建了一個 ArrayDeque 對象，并使用 addFirst() 和 addLast() 方法在雙端隊列的開頭和末尾插入元素。然后使用 removeFirst() 和 removeLast() 方法移除元素。使用 peekFirst() 和 peekLast() 方法獲取元素但不移除。最后輸出雙端隊列的內容。

BlockingDeque

他是Java集合中的一個接口，是Deque的子接口，表示一個支持阻塞操作的雙向隊列。BlockingDeque 繼承了 Deque 接口的所有方法，并添加了一些阻塞方法，這些方法在隊列滿或空時會阻塞線程，直到隊列可用或有元素可用時才會繼續執行。
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  • putFirst(E e)：將指定元素插入到雙端隊列的開頭，如果隊列已滿，則阻塞當前線程直到隊列可用。
  • putLast(E e)：將指定元素插入到雙端隊列的末尾，如果隊列已滿，則阻塞當前線程直到隊列可用。
  • takeFirst()：移除并返回雙端隊列的第一個元素，如果隊列為空，則阻塞當前線程直到有元素可用。
  • takeLast()：移除并返回雙端隊列的最后一個元素，如果隊列為空，則阻塞當前線程直到有元素可。
  • offerFirst(E e, long timeout, TimeUnit unit)：將指定元素插入到雙端隊列的開頭，如果隊列已滿，則阻塞當前線程一段時間，直到超時或隊列可用。
  • offerLast(E e, long timeout, TimeUnit unit)：將指定元素插入到雙端隊列的末尾，如果隊列已滿，則阻塞當前線程一段時間，直到超時或隊列可用。
  • pollFirst(long timeout, TimeUnit unit)：移除并返回雙端隊列的第一個元素，如果隊列為空，則阻塞當前線程一段時間，直到超時或有元素可用。
  • pollLast(long timeout, TimeUnit unit)：移除并返回雙端隊列的最后一個元素，如果隊列為空，則阻塞當前線程一段時間，直到超時或有元素可用。

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); // 輸出 [1, 2]blockingDeque.putFirst(3); // 阻塞當前線程，直到隊列可用blockingDeque.putLast(4); // 阻塞當前線程，直到隊列可用} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}
}

創建了一個容量為 2 的 LinkedBlockingDeque 對象，并使用 putFirst() 和 putLast() 方法向雙端隊列中插入元素。當隊列已滿時，putFirst() 和 putLast() 方法會阻塞當前線程，直到隊列可用。

由于我們的隊列容量為 2，并且已經插入了兩個元素，所以在插入第三個和第四個元素時，當前線程會被阻塞，直到隊列中有空間可用。

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是Java中的一個雙向鏈表阻塞隊列，它實現了BlockingQueue接口，可以用于實現生產者-消費者模式等多線程場景。在本篇博客中，我將詳細介紹LinkedBlockingDeque的特性、用法以及示例代碼。

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LinkedBlockingDeque的常用方法

  • add(E e)：將指定元素添加到隊列的尾部，如果隊列已滿，則拋出IllegalStateException異常。
  • offer(E e)：將指定元素添加到隊列的尾部，如果隊列已滿，則返回false。
  • put(E e)：將指定元素添加到隊列的尾部，如果隊列已滿，則阻塞直到隊列有空間可用。
  • offerFirst(E e)：將指定元素添加到隊列的頭部，如果隊列已滿，則返回false。
  • offerLast(E e)：將指定元素添加到隊列的尾部，如果隊列已滿，則返回false。
  • poll()：獲取并移除隊列頭部的元素，如果隊列為空，則返回null。
  • poll(long timeout, TimeUnit unit)：在指定的時間內等待，獲取并移除隊列頭部的元素，如果超時仍未有元素可用，則返回null。
  • take()：獲取并移除隊列頭部的元素，如果隊列為空，則阻塞直到隊列非空。
  • pollFirst()：獲取并移除隊列頭部的元素，如果隊列為空，則返回null。
  • pollLast()：獲取并移除隊列尾部的元素，如果隊列為空，則返回null。
  • peek()：獲取但不移除隊列頭部的元素，如果隊列為空，則返回null。
  • peekFirst()：獲取但不移除隊列頭部的元素，如果隊列為空，則返回null。
  • peekLast()：獲取但不移除隊列尾部的元素，如果隊列為空，則返回null。
  • remove(Object o)：從隊列中移除指定元素，如果存在該元素則返回true，否則返回false。
  • contains(Object o)：判斷隊列是否包含指定元素，如果包含則返回true，否則返回false。

其他方法：
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LinkedBlockingDeque的特性

  • 雙向鏈表結構：LinkedBlockingDeque內部采用雙向鏈表實現，可以高效地支持在隊列兩端的插入和刪除操作。
  • 阻塞操作：當隊列為空時，從隊列中獲取元素的操作會被阻塞，直到隊列中有元素可用；當隊列已滿時，向隊列中添加元素的操作也會被阻塞，直到隊列有空間可用。
  • 無界隊列：LinkedBlockingDeque在構造時可以選擇是否設置隊列的容量限制，如果不設置容量限制，則隊列大小理論上可以無限增長。

LinkedBlockingDeque的使用

  1. 創建LinkedBlockingDeque對象
LinkedBlockingDeque<String> deque = new LinkedBlockingDeque<>();
  1. 添加元素到隊列
deque.add("Element 1"); // 添加元素到隊列尾部
deque.offerFirst("Element 2"); // 添加元素到隊列頭部
  1. 獲取并移除隊列元素
String element = deque.poll(); // 獲取并移除隊列頭部元素
String lastElement = deque.pollLast(); // 獲取并移除隊列尾部元素
  1. 獲取但不移除隊列元素
String peekElement = deque.peek(); // 獲取但不移除隊列頭部元素
String peekLastElement = deque.peekLast(); // 獲取但不移除隊列尾部元素
  1. 阻塞操作
String element = deque.take(); // 阻塞直到隊列非空，然后獲取并移除隊列頭部元素
deque.put("Element 3"); // 阻塞直到隊列有空間可用，然后添加元素到隊列尾部

示例代碼

下面是一個簡單的生產者-消費者示例，使用LinkedBlockingDeque作為共享隊列：

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是一個功能強大的雙向鏈表阻塞隊列，適用于多線程生產者-消費者模式等場景。通過阻塞操作和雙向鏈表結構，它能夠高效地支持并發操作。在實際應用中，可以根據具體需求選擇合適的隊列實現來提升系統性能和可靠性。

ArrayDeque

ArrayDeque的特性

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  • 數組實現：ArrayDeque內部使用數組來存儲元素，可以高效地支持在隊列兩端的插入和刪除操作。
  • 雙端隊列：ArrayDeque既可以作為隊列使用，也可以作為棧使用。它支持在隊列的頭部和尾部進行元素的插入和刪除，因此可以靈活地滿足不同的需求。
  • 無界隊列：ArrayDeque在構造時不需要指定容量大小，它的大小會根據實際元素的數量自動調整，理論上可以無限增長。
  • 非線程安全：ArrayDeque不是線程安全的，如果需要在多線程環境下使用，需要進行適當的同步處理。

注意

  • 非線程安全：ArrayDeque不是線程安全的，如果需要在多線程環境下使用，需要進行適當的同步處理。可以使用Collections.synchronizedDeque()方法創建一個線程安全的ArrayDeque。

  • 不支持null元素：ArrayDeque不支持存儲null元素，如果嘗試添加null元素，會拋出NullPointerException異常。

  • 避免頻繁調整容量：ArrayDeque的內部實現是通過循環數組來存儲元素，當隊列的容量不足時，會自動進行擴容。在頻繁添加或刪除元素的場景下，可能會導致多次擴容，影響性能。如果事先能夠大致估計隊列的大小，可以通過構造函數ArrayDeque(int numElements)來指定初始容量，避免頻繁的容量調整。

  • 適用于頻繁操作兩端的場景：ArrayDeque的優勢在于支持高效地在隊列的兩端進行插入和刪除操作。如果只需要在隊列的一端進行操作，建議使用LinkedList或ArrayBlockingQueue等其他隊列實現。

  • 注意棧操作的順序：如果將ArrayDeque用作棧使用，需要注意棧操作的順序。使用push()方法將元素添加到棧頂，使用pop()方法移除并返回棧頂元素。棧操作需要保持一致的順序，否則可能導致元素順序的混亂。

  • 避免過度依賴索引操作：由于ArrayDeque是基于數組實現的，它支持通過索引來訪問元素。但是，在頻繁插入和刪除元素的場景下，使用索引操作可能會導致性能下降。因此，在使用ArrayDeque時，應盡量避免過度依賴索引操作，而是使用隊列提供的方法來操作元素。

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ArrayDeque的使用

  1. 創建ArrayDeque對象
ArrayDeque<String> deque = new ArrayDeque<>();
  1. 添加元素到隊列
deque.add("Element 1"); // 添加元素到隊列尾部
deque.offerFirst("Element 2"); // 添加元素到隊列頭部
  1. 獲取并移除隊列元素
String element = deque.poll(); // 獲取并移除隊列頭部元素
String lastElement = deque.pollLast(); // 獲取并移除隊列尾部元素
  1. 獲取但不移除隊列元素
String peekElement = deque.peek(); // 獲取但不移除隊列頭部元素
String peekLastElement = deque.peekLast(); // 獲取但不移除隊列尾部元素
  1. 棧操作
deque.push("Element 3"); // 將元素添加到棧頂
String popElement = deque.pop(); // 移除并返回棧頂元素

示例代碼

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()); // 輸出: Element 1ArrayDeque<String> stack = new ArrayDeque<>();stack.push("Element 3");stack.push("Element 4");System.out.println(stack.pop()); // 輸出: Element 4}
}

ArrayDeque是一個非常實用的雙端隊列，可以靈活地支持隊列和棧的操作。通過數組實現和雙端插入和刪除操作，它能夠高效地滿足不同場景下的需求。在實際應用中，可以根據具體需求選擇合適的隊列實現來提升系統性能和可靠性。

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