前言
最近在研读Kafka源码，发现它大量使用了ArrayDeque数据集合。这个集合类是java.util里提供的双端队列/栈，非线程安全，但是性能很好，非常值得研究一下。
// RecordAccumulator
private final ConcurrentMap<TopicPartition, Deque<ProducerBatch>> batches;
// Selector
private final Map<KafkaChannel, Deque<NetworkReceive>> stagedReceives;
个人认为主要原因也是ArrayDeque 也可以作为队列来使用，效率相较于基于双向链表的LinkedList也要更好一些，另外就是不会有中间节点的修改。所以会利用到这里kafka的设计中。
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基本设计
我们先整体推测一下ArrayDeque的设计思路。
功能
每一种集合类的具体功能，基本上都是增/删/改/查四大项，ArrayDeque也不例外，只不过它更贴近于栈的功能，主要操作栈顶和栈底的数据，对于栈中的数据，只有delete一个函数。
问题
Java中一般只有两种基础的数据容器，数组或链表。数组排列紧密、下标查找快、中间插入慢；链表排列稀疏、查找慢，中间插入快。对于栈结构来说，采用数组更具优势，ArrayDeque也是采用了数组来作为基本数据容器，也需要处理数组扩容问题。
不过，传统的数组都是线性数组，向尾部添加数据固然很方便，但是向中间添加数据的话，就需要挪动插入点之后的所有数据，如果向头部添加数据的话，整个数组都要挪一遍，虽然Java提供了Native函数System.arrayCopy来提升效率，但是对内存的操作是不可避免的。
循环数组
为了提高效率，ArrayDeque采用了循环数组的设计，也就是说虽然基础容器是一个普通的数组（默认容量16），但是在逻辑上，这个数组没有固定的开头或结尾，既可以直接向尾部添加数据，也可以直接向头部之前添加数据，不需要大面积地移动数据。
逻辑上的概念大概是这样的：
循环数组vs线性数组
具体实现及优化
循环数组在概念上没有左右边界，但是Java并没有这样的数组，Java只能提供固定大小的数组，这样的话，如何实现循环数组就转变为如何利用固定数组实现循环数组。
相对于线性数组，循环数组是连续的，但是数组的头和尾可能在任何位置，所以循环数组在真实数据中的映射大概是这样：
在物理数组中的循环数组
在逻辑上，队首总是在左边，队尾总是在右边，但是如果持续向队首插入数据，就很容易把队首”顶“出物理容器的左边界，”顶“进物理容器的右侧。
这时候，我们可以看到，循环数组在物理数组中最大的问题是，很多时候，逻辑上连续，但物理上被分成了两截。
所以，ArrayDeque需要针对以下操作，做特殊处理：
1.添加/删除头
主要判断头的新位置在左侧还是右侧。
先看添加：
head的新位置一定是head-1，如果得到的结果为-1，就需要挪到右侧，也就是物理数组中的最后一个位置length-1。
如果让我们自己来写，可能是这样写：
if(head-1<0){
head=elements.length -1;
}else{
head=head-1;
}
elements[head]=e;
事实上，ArrayDeque使用了更精妙的实现，他用一步位与运算实现了这个功能：
elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
这行代码具体什么意思呢？
当head-1为-1时，实际上是11111111&00001111，结果是00001111，也就是物理数组的尾部15；
当head-1为较小的值如3时，实际上是00000011&00001111，结果是00000011，还是3。
当head增长如head+1超过物理数组长度如16时，实际上是00010000&00001111，结果是00000000，也就是0，这样就回到了物理数组的头部。
所以，位与运算可以很轻松地实现把数据控制在某个范围内。
回过头来，我们再看删除头的代码：
elements[h] = null; // Must null out slot
head = (h + 1) & (elements.length - 1);
先清空数据，然后移动head位置，也是用位与运算实现的。
位运算本来就非常高效，ArrayDeque的这种写法，更是用一行代码覆盖了函数中的所有场景，非常精妙。
2.添加/删除尾
主要判断尾的新位置在左侧还是右侧，具体操作和上一步添加/删除头类似。
3.删除中间某个数据
删除中间元素时，即使是循环数组，也需要批量移动数组元素了，所以删除中间元素实际上面临三个问题，一是需要在左侧或右侧删除，二是需要挪动头或尾，三是优化需要，尽量少得移动数组元素。
ArrayDeque实际上是先从第三个问题入手的，先判断中间元素里head近还是离tail近，然后移动较近的那一端。
不过，较近的一端只是逻辑上较近，物理数组上，可能被分成了两截，这就需要做两次数组元素的批量移动。
//ArrayDeque源码（部分情况）
System.arraycopy(elements, 0, elements, 1, i);
elements[0] = elements[mask];
System.arraycopy(elements, h, elements, h + 1, mask - h);
4.计算队列长度，如果物理上不连续，需要特别计算真正的数据。
如果让我们自己写，可能也是分条件判断，分别计算两截的数据。
ArrayDeque又使用了位与运算：
return (tail - head) & (elements.length - 1);
也是只有一行，当物理上被分为两截时，tail-head会是负数，整个操作相当于取模运算，例如，当tail为3，head为14，物理数组长度16时，运算的就是11110101&00001111，值为00000101，也就是5。
5.复制一个线性数组toArray
从基本操作上，如果物理上不连续，先复制右侧，再补上左侧。
toArray的问题在于新数组的长度是动态的，为了生成大小刚好的新数组，ArrayDeque使用了Arrays工具类来实现这个特定长度的数组，并同时实现对head一侧数据的复制：
boolean wrap = (tail < head);
int end = wrap ? tail + elements.length : tail;
Object[] a = Arrays.copyOfRange(elements, head, end);
if (wrap)
System.arraycopy(elements, 0, a, elements.length - head, tail);
这样的话，如果物理空间连续，就直接复制完成；
但如果物理空间不连续，第一次Arrays.copyOfRange需要保证一次性生成足够的物理空间，所以end的值不能是length（否则长度就只有length-head这么长），而应该是tail+length。
6.空间扩容。
数据容器的扩容其实可以分解为两个问题，一是何时开始扩容，二是旧数组数据的复制。
对于何时开始扩容的问题，为了减少检查的次数，ArrayDeque采用了对head和tail是否重合的检查，只要tail和head不重合，就说明tail后面/head前面还有空间，所以只要在添加头/尾时检查head==tail即可。
对于旧数组数据的复制，空间扩容和问题和toArray有些类似，不同的是新数组的长度是可知的（2倍），所以可以直接new一个定长的数组，这样就不需要Array.copyOfRange函数，可以统一使用System.arrayCopy：
Object[] a = new Object[newCapacity];
System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);
System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);
其他
相比ArrayList，我们可以看到ArrayDeque大量减少了System.arrayCopy的使用，只在delete、clone、扩容和toArray函数中使用了这个函数，其他操作中都不需要大量移动数组元素，这也可以说明ArrayDeque这个数据集合的性能非常优良。
