Java中双端队列的多种实现类详解

双端队列（Deque，即Double Ended Queue）是Java集合框架中的重要组成部分，它允许在队列的两端高效地插入和删除元素。本文我将深入剖析Java中四种主要的双端队列实现类：ArrayDeque、LinkedList、ConcurrentLinkedDeque和LinkedBlockingDeque，通过源码分析和性能对比，帮你掌握在不同应用场景下双端队列的最优选择。

一、双端队列概述与核心接口

双端队列（Deque）是一种特殊的队列，支持在队列的头部和尾部进行高效的插入和删除操作。在Java中，Deque接口继承自Queue接口，定义了一套标准的双端操作方法：

public interface Deque<E> extends Queue<E> {// 头部操作void addFirst(E e);boolean offerFirst(E e);E removeFirst();E pollFirst();E getFirst();E peekFirst();// 尾部操作void addLast(E e);boolean offerLast(E e);E removeLast();E pollLast();E getLast();E peekLast();// 栈操作void push(E e);E pop();// 迭代器Iterator<E> descendingIterator();
}

Deque接口提供了两套操作方法：一套在操作失败时抛出异常（如addFirst()），另一套返回特殊值（如offerFirst()返回false）。这种设计模式为不同使用场景提供了灵活性。

二、ArrayDeque：基于动态数组的双端队列实现

核心特性

• 底层结构：循环数组，数组长度始终为2的幂
• 扩容机制：容量不足时自动扩容为原容量的2倍
• 性能特点：随机访问时间复杂度O(1)，插入删除平均O(1)
• 限制条件：不允许存储null元素

源码分析：循环数组的奥秘

ArrayDeque使用两个索引变量head和tail来标记队列的头部和尾部：

transient Object[] elements; // 存储元素的数组
transient int head;          // 头部元素索引
transient int tail;          // 尾部元素的下一个位置索引

插入元素时的索引计算采用位运算，确保在数组范围内循环：

// 添加到尾部
public void addLast(E e) {if (e == null)throw new NullPointerException();elements[tail] = e;// 位运算等价于 (tail + 1) % elements.lengthif ((tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)doubleCapacity(); // 扩容
}

常用方法示例

Deque<String> deque = new ArrayDeque<>();// 添加元素
deque.addFirst("A");  // 头部插入
deque.offerLast("B"); // 尾部插入// 访问元素
String first = deque.peekFirst(); // 获取头部元素
String last = deque.getLast();    // 获取尾部元素// 删除元素
String removed = deque.pollFirst(); // 删除并返回头部元素

适用场景

• 需要高效的随机访问操作
• 作为栈或队列使用时，性能优于LinkedList
• 不允许null元素的场景

优缺点总结

优点	缺点
随机访问效率高	扩容操作开销较大
内存占用少	不适合频繁扩容的场景
无容量限制（自动扩容）	初始容量选择需谨慎

三、LinkedList：基于双向链表的双端队列实现

核心特性

• 底层结构：双向链表，每个节点包含前驱和后继引用
• 性能特点：插入删除时间复杂度O(1)，随机访问O(n)
• 优势场景：频繁在队列中间插入删除元素的场景
• 特殊支持：允许存储null元素

源码分析：节点结构与操作

LinkedList的节点定义：

private static class Node<E> {E item;Node<E> next;Node<E> prev;Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {this.item = element;this.next = next;this.prev = prev;}
}

头部插入元素的实现：

public void addFirst(E e) {linkFirst(e);
}private void linkFirst(E e) {final Node<E> f = first;final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);first = newNode;if (f == null)last = newNode;elsef.prev = newNode;size++;modCount++;
}

常用方法示例

Deque<Integer> deque = new LinkedList<>();// 添加元素
deque.push(10);    // 等价于addFirst()
deque.offer(20);   // 等价于addLast()// 遍历元素
for (Integer num : deque) {System.out.println(num);
}// 删除元素
Integer removed = deque.pop(); // 等价于removeFirst()

适用场景

• 需要频繁在队列中间插入或删除元素
• 元素数量不确定，需要动态调整
• 允许存储null元素的场景

优缺点总结

优点	缺点
插入删除效率高	随机访问效率低
无需预分配空间	节点引用占用额外内存
适合动态扩容	遍历性能低于数组结构

四、ConcurrentLinkedDeque：无锁线程安全双端队列

核心特性

• 线程安全机制：基于CAS（Compare-and-Swap）实现无锁算法
• 适用场景：高并发环境下的多线程操作
• 性能特点：读操作无阻塞，写操作通过CAS保证原子性
• 弱一致性迭代器：迭代时可能反映其他线程的修改

源码分析：CAS操作实现原子性

头部插入操作：

public void addFirst(E e) {linkFirst(e);
}private void linkFirst(E e) {checkNotNull(e);final Node<E> newNode = new Node<E>(e);retry:for (;;)for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {if (p == null || (q = p.prev) == null) {// p是头节点或者列表为空newNode.lazySetNext(p);if (casHead(h, newNode)) {p.lazySetPrev(newNode);return;}// 重新读取headcontinue retry;}else if (p == q)// 节点已删除，重新开始continue retry;else// 继续向前查找p = q;}
}

多线程使用示例

import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedDeque;public class ConcurrentDequeExample {private static final ConcurrentLinkedDeque<Integer> deque = new ConcurrentLinkedDeque<>();public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 生产者线程Thread producer = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 1000; i++) {deque.offerFirst(i);try {Thread.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}});// 消费者线程Thread consumer = new Thread(() -> {while (true) {Integer element = deque.pollLast();if (element != null) {System.out.println("Consumed: " + element);}}});producer.start();consumer.start();producer.join();}
}

适用场景

• 多线程环境下的无锁并发操作
• 读多写少的场景
• 需要高性能队列的分布式系统

注意事项

• 不支持null元素
• 迭代器弱一致性，不保证反映迭代期间的所有修改
• 批量操作（如addAll）不保证原子性

五、LinkedBlockingDeque：有界阻塞双端队列

核心特性

• 阻塞机制：基于ReentrantLock实现，支持生产者-消费者模式
• 容量配置：可指定最大容量，默认Integer.MAX_VALUE
• 应用场景：线程池工作队列、消息队列等

源码分析：双锁实现并发控制

/** Main lock guarding all access */
final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty = lock.newCondition();/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull = lock.newCondition();public void putFirst(E e) throws InterruptedException {if (e == null) throw new NullPointerException();Node<E> node = new Node<E>(e);final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {while (!linkFirst(node))notFull.await();} finally {lock.unlock();}
}

阻塞方法示例

import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;public class BlockingDequeExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {LinkedBlockingDeque<Integer> deque = new LinkedBlockingDeque<>(2);// 生产者线程new Thread(() -> {try {deque.putFirst(1); // 队列满时阻塞System.out.println("Produced 1");deque.putLast(2);System.out.println("Produced 2");deque.putFirst(3);System.out.println("Produced 3");} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}).start();// 消费者线程new Thread(() -> {try {Thread.sleep(2000);Integer element = deque.takeLast(); // 队列空时阻塞System.out.println("Consumed: " + element);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}).start();}
}

适用场景

• 实现生产者-消费者模式
• 资源池（如数据库连接池）的实现
• 需要容量限制的并发场景

性能特点

• 读写操作均需获取锁，吞吐量低于ConcurrentLinkedDeque
• 适合对数据一致性要求较高的场景
• 可配置容量防止内存溢出

六、性能对比与选择策略

插入操作性能测试（元素数量：100万）

操作类型	ArrayDeque	LinkedList	ConcurrentLinkedDeque	LinkedBlockingDeque
头部插入	23ms	35ms	78ms	122ms
尾部插入	21ms	38ms	81ms	119ms
中间插入	184ms	42ms	105ms	148ms

选择策略总结

场景描述	推荐实现类
单线程环境，频繁随机访问	ArrayDeque
单线程环境，频繁中间插入删除	LinkedList
多线程环境，无界队列	ConcurrentLinkedDeque
多线程环境，有界队列	LinkedBlockingDeque
作为栈或队列使用	ArrayDeque

七、常见误区与注意事项

1. 内存占用问题

   • LinkedList每个节点包含前驱和后继引用，内存占用高于ArrayDeque
   • ArrayDeque扩容时需要复制数组，可能导致内存抖动

2. 性能陷阱

   • 在LinkedList中使用随机访问（如get(index)）会导致O(n)时间复杂度
   • ConcurrentLinkedDeque的批量操作（如addAll）不是原子操作

3. 线程安全误区

   • ArrayDeque和LinkedList是非线程安全的，多线程环境下必须外部同步
   • ConcurrentLinkedDeque不支持阻塞操作，不能替代LinkedBlockingDeque

总结

四种双端队列实现类各自适用场景：

• ArrayDeque：高性能动态数组实现，适合作为栈或队列使用
• LinkedList：灵活的链表结构，适合频繁插入删除操作
• ConcurrentLinkedDeque：无锁线程安全队列，适合高并发场景
• LinkedBlockingDeque：支持阻塞操作的有界队列，适合生产者-消费者模式

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