为什么 ArrayDeque 类在 pollFirst 方法中使用按位运算？答案

【问题标题】：Why the ArrayDeque class use bitwise operation in the pollFirst method?为什么 ArrayDeque 类在 pollFirst 方法中使用按位运算？
【发布时间】：2016-08-17 22:29:54
【问题描述】：

我翻翻java源代码尝试学习collection的实现。在 ArrayDeque 类中发现了一个有趣的东西。

public E pollFirst() {
    int h = head;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E result = (E) elements[h];
    // Element is null if deque empty
    if (result == null)
        return null;
    elements[h] = null;     // Must null out slot
    head = (h + 1) & (elements.length - 1);
    return result;
}

public E pollLast() {
    int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E result = (E) elements[t];
    if (result == null)
        return null;
    elements[t] = null;
    tail = t;
    return result;
}

以下两行是什么意思？是按位运算吗？他们为什么使用它，这里的目的是什么？

    head = (h + 1) & (elements.length - 1);
    int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);

我知道使用按位的一种情况是将 2 个值打包到 1 个变量中。但似乎情况并非如此。

【问题讨论】：

标签： java collections bitwise-operators bitwise-and arraydeque

【解决方案1】：

这是计算(head+1) % elements.length 的一种更有效的方法，我们可以这样做，因为elements.length 是 2 的幂。它更有效是因为 mod 运算符比 更昂贵按位和。

另一方面，仅对tail 使用 mod 是行不通的，因为在 Java 中，-1 % N == -1。

【讨论】：

【解决方案2】：

看一下初始化代码 - Deque 表示为一个数组，其大小始终是 2 的幂：

195    public ArrayDeque(int numElements) {
196        allocateElements(numElements);
197    }

124    private void allocateElements(int numElements) {
125        int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;
126        // Find the best power of two to hold elements.
127        // Tests "<=" because arrays aren't kept full.
128        if (numElements >= initialCapacity) {
129            initialCapacity = numElements;
130            initialCapacity |= (initialCapacity >>>  1);
131            initialCapacity |= (initialCapacity >>>  2);
132            initialCapacity |= (initialCapacity >>>  4);
133            initialCapacity |= (initialCapacity >>>  8);
134            initialCapacity |= (initialCapacity >>> 16);
135            initialCapacity++;
136
137            if (initialCapacity < 0)   // Too many elements, must back off
138                initialCapacity >>>= 1;// Good luck allocating 2 ^ 30 elements
139        }
140        elements = (E[]) new Object[initialCapacity];
141    }

所以elements.length - 1 是二进制的，基本上是一系列1 在数组大小超出之前的位。

例如，如果 elements 初始化为大小为 16 的数组，则 elements.length - 1 为 15，这意味着 0..001111（截断前导零）。

所以当head 元素在pollFirst 方法中被重置时（加一），按位& 运算符用于使双端队列循环。同样，如果 elements 的大小为 16，而当前 head 为 15，那么 head + 1 将是 16，所以：

10000
01111
-----
00000

意思是，head 被重置为索引 0。这允许您重新使用已分配的空间，使用数组及其在插入和检索中的 O(1) 效率，而无需分配新空间。

pollLast 也是如此，您重置了 tail 变量，即如果 tail 为 0，elements 的大小为 16，则：

tail      00000
tail-1    11111   (-1 in two's complement)
          01111
          -----
          01111

意思是 tail 减一，但从 0 移动到 elements.length - 1。

您可以使用更“复杂”的 if 语句（或使用三元运算符）实现相同的效果，但这是实现循环数组的一种相当常见且可接受的方式。

【讨论】：