我們知道佇列這種資料結構的物理實現方式主要還是兩種，一種是鏈佇列（自定義節點類），另一種則是使用陣列實現，兩者各有優勢。此處我們將要介紹的迴圈佇列其實是佇列的一種具體實現，由於一般的陣列實現的佇列結構在頻繁出隊的情況下，會產生假溢位現象，導致陣列使用效率降低，所以引入迴圈佇列這種結構。本文將從以下兩個大角度介紹迴圈佇列這種資料結構：

• 迴圈陣列實現迴圈佇列
• Java中具體實現容器類ArrayDeque

一、迴圈佇列
     為了深刻體會到迴圈佇列這個結構優於非迴圈佇列的地方，我們將首先介紹陣列實現的非迴圈佇列結構。佇列這種資料結構，無論你是用連結串列實現，還是用陣列實現，它都是要有兩個指標分別指向隊頭和隊尾。在我們陣列的實現方式中，用兩個int型變數用於記錄隊頭和隊尾的索引。

一個佇列的初始狀態，head和tail都指向初始位置（索引為0處）。head永遠指向該佇列的隊頭元素，tail則指向該佇列最後一個元素的下一位置，當有入隊操作時：

當有出隊操作時：

當遇到出隊操作時，head會移向下一元素位置。當然，對於這種方式入隊和出隊，隊空的判斷條件顯然是head=tail，隊滿的判斷條件是tail=array.length（陣列最後一個位置的下一位置）。顯然，這種結構最致命的缺陷就是，tail只知道向後移動，一旦到達陣列邊界就認為隊滿，但是佇列可能時刻在出隊，也就是前面元素都出隊了，tail也不知道。例如：

此時tail判斷隊滿，我們暫時認為資源利用是可以接受的，但是如果接下來不斷髮生出隊操作：

此時tail依然通過判斷，認為隊滿，不能入隊，這時陣列的利用率我們是不能接受的，這樣浪費很大。所以，我們引入迴圈佇列，tail可以通過mode陣列的長度實現迴歸初始位置，下面我們具體來看一下。

按照我們的想法，一旦tail到達陣列邊界，那麼可以通過與陣列長度取模返回初始位置，這種情況下判斷隊滿的條件為tail=head

此時tail的值為8，取模陣列長度8得到0，發現head=tail，此時認為佇列滿員。這是合理的，但是我們忽略了一個重要的點，判斷隊空的條件也是head=tail，那麼該怎麼區分是隊空還是隊滿呢？解決辦法是，空出佇列中一個位置，如果(tail+1)%array.length=head，我們就認為隊滿，下面說明其合理性。

上面遇到的問題是，tail指向了隊尾的後一個位置，也就是新元素將要被插入的位置，如果該位置和head相等了，那麼必然說明當前狀態已經不能容納一個元素入隊（間接的說明隊滿）。因為這種情況是和隊空的判斷條件是一樣的，所以我們選擇捨棄一個節點位置，tail指向下一個元素的位置，我們使用tail+1判斷下一個元素插入之後，是否還能再加入一個元素，如果不能了說明佇列滿，不能容納當前元素入隊（其實還剩下一個空位置），看圖：

tail通過取模，迴歸到初始位置，我們判斷tail+1是否等於head，如果等於說明隊滿，不允許入隊操作，當然這是犧牲了一個節點位置來實現和判斷隊空的條件進行區分。上述文字基本完成了隊迴圈佇列的理論介紹，下面我們看在Java中對該資料結構的具體實現是怎樣的。

二、雙端佇列實現類ArrayDeque
     ArrayDeque中主要有以下幾個屬性域：

transient Object[] elements;
transient int head;
transient int tail;
private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;

elements就是我們上述介紹用於儲存佇列中每個節點，不過在ArrayDeque中該陣列長度是沒有限制的，採用一種動態擴容機制實現動態擴充陣列容量。head和tail分別代表著頭指標和尾指標。MIN_INITIAL_CAPACITY 代表著建立一個佇列的最小容量，具體使用情況在下文詳細介紹。現在我們看下它的幾個建構函式：

public ArrayDeque() {
    elements = new Object[16];
}
public ArrayDeque(int numElements) {
    allocateElements(numElements);
}

如果沒有指定顯式傳入elements的長度，則預設16。如果顯式傳入一個代表elements的長度的變數，那麼會呼叫allocateElements做一些簡單的處理，並不會簡單的將你傳入的引數用來構建elements，它會獲取最接近numElements的2的指數值，比如：numElements等於20，那麼elements的長度會為32，numElements為11，那麼對應elements的長度為16。但是如果你傳入一個小於8的引數，那麼會預設使用我們上述介紹的靜態屬性值作為elements的長度。至於為什麼這麼做，因為這麼做會大大提高我們在入隊時候的效率，我們等會兒會看到。

入隊操作
由於ArrayDeque實現了Deque，所以它是一個雙向佇列，支援從頭部或者尾部新增節點，由於內部操作類似，我們只簡單介紹從尾部新增入隊操作。涉及以下一些函式：

public void addLast(E e) {
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
    elements[tail] = e;
    if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
    doubleCapacity();
}

public boolean offerLast(E e) {
    addLast(e);
    return true;
}

public boolean add(E e) {
    addLast(e);
    return true;
}

顯然，主要的方法還是addLast，其實有人可能會疑問，為什麼要這麼多重複的方法呢？其實，雖然我們這個ArrayDeque它實現了雙端佇列，並且我們本篇主要把他當做佇列來研究，其實該類完全可以作為棧或者一些其他結構來使用，所以提供了一些其他的方法，但本質上還是某幾個方法。此處我們主要研究下addLast這個方法，該方法首先將你要新增的元素入隊，然後通過這條語句判斷隊是否已滿：

if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)

這條語句的判斷條件還是比較難理解的，我們之前在構造elements元素的時候，說過它的長度一定是2的指數級，所以對於任意一個2的指數級的值減去1之後必然所有位全為1，例如：8-1之後為111，16-1之後1111。而對於tail來說，當tail+1小於等於elements.length - 1，兩者與完之後的結果還是tail+1，但是如果tail+1大於elements.length - 1，兩者與完之後就為0，回到初始位置。這種判斷佇列是否滿的方式要遠遠比我們使用符號%直接取模高效，jdk優雅的設計從此可見一瞥。接著，如果佇列滿，那麼會呼叫方法doubleCapacity擴充容量，

private void doubleCapacity() {
    assert head == tail;
    int p = head;
    int n = elements.length;
    int r = n - p; 
    int newCapacity = n << 1;
    if (newCapacity < 0)
        throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
    Object[] a = new Object[newCapacity];
    System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);
    System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);
    elements = a;
    head = 0;
    tail = n;
}

該方法還是比較容易理解的，首先會獲取到原陣列長度，擴大兩倍構建一個空陣列，接下來就是將原陣列中的內容移動到新陣列中，下面通過截圖演示兩次移動過程：

這是一個滿隊狀態，假如我們現在還需要入隊，那麼久需要擴容，擴容結果如下：

其實兩次移動陣列，第一次將head索引之後的所有元素移動到新陣列中，第二次將tail到head之間的所有元素移動到新陣列中。實際上，就是在移動的時候對原來的順序進行了調整。對於addFirst只不過是將head向前移動一個位置，然後新增新元素。

出隊操作
出隊操作和入隊一樣，具有著多個不同的方法，但是內部呼叫的還是一個pollFirst方法，我們主要看下該方法的具體實現即可：

public E pollFirst() {
    int h = head;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E result = (E) elements[h];
    if (result == null)
        return null;
    elements[h] = null;
    head = (h + 1) & (elements.length - 1);
    return result;
}

該方法很簡單，直接獲取陣列頭部元素即可，然後head往後移動一個位置。這是出隊操作，其實刪除操作也是一種出隊，內部還是呼叫了pollFirst方法：

public E removeFirst() {
    E x = pollFirst();
    if (x == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return x;
 }

其他的一些操作
我們可以通過getFirst()或者peekFirst()獲取隊頭元素（不刪除該元素，只是檢視）。toArray方法返回內部元素的陣列形式。

public Object[] toArray() {
    return copyElements(new Object[size()]);
}

還有一些利用索引或者值來檢索具體節點的方法，由於這些操作並不是ArrayDeque的優勢，此處不再贅述了。

至此，有關ArrayDeque的簡單原理已經介該紹完了，ArrayDeque的主要優勢在於尾部新增元素，頭部出隊元素的效率是比較高的，內部使用位操作來判斷隊滿條件，效率相對有所提高，並且該結構使用動態擴容，所以對佇列長度也是沒有限制的。在具體情況下，適時選擇。