为什么 ArrayDeque class 在 pollFirst 方法中使用按位操作？

Question

我查看java源代码尝试学习集合的实现。在 ArrayDeque class.

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;
}

下面两行是什么意思？是位运算吗？他们为什么使用它，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。但似乎并非如此。

Answer 1

看一下初始化代码——双端队列表示为一个数组，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，基本上是超出数组大小之前的一系列 1 位。

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

因此，当 head 元素在 pollFirst 方法中重置时（前进一），按位 & 运算符用于使 Deque 循环。同样，如果 elements 的大小为 16，而当前 head 为 15，则 head + 1 将为 16，因此：

10000
01111
-----
00000

意思是，head 被重置为索引 0。这允许您重用已经分配的 space，使用数组及其 O(1) 的插入和检索效率, 无需分配新的 space.

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

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

意思是tail减了一个值，但是从0移动到elements.length - 1。

您可以使用更多 "complex" 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普遍且可接受的方式。

Answer 2

这是一种更有效的计算 (head+1) % elements.length 的方法，我们可以这样做，因为 elements.length 是 2 的幂。它更有效，因为 mod 运算符与 按位和 相比开销较大。

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

为什么 ArrayDeque class 在 pollFirst 方法中使用按位操作？

Why the ArrayDeque class use bitwise operation in the pollFirst method?

java

collections

bitwise-operators

bitwise-and

arraydeque