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

Question

我翻阅java源代码尝试学习集合的实现。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;
}

下面两行是什么意思？是位运算吗？他们为什么使用它以及这里的目的是什么？

    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 是二进制的，基本上是超出数组大小之前的一系列 1 位。

例如，如果 elements 被初始化为一个大小为 16 的数组，那么 elements.length - 1 就是 15，即 0..001111(截断前导零)。

因此，当 pollFirst 方法中的 head 元素被重置时(提前一个)，使用位运算符 & 来使双端队列循环。同样，如果 elements 的大小为 16，而当前 head 的大小为 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空间，使用数组及其 O(1) 的插入和检索效率，而无需分配新空间。

对于重置 tail 变量的 pollLast 也是如此，即如果 tail 为 0 且 elements 尺寸为 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普遍且可接受的方式。