在Java中实现支持随机访问的固定窗口队列的代码示例_Java

引言

本文介绍了一种在java中实现的自定义滑动队列，利用了google guava库中的evictingqueue。这种滑动队列允许以固定大小管理队列，并能够随机访问元素。我们将探讨这种数据结构的设计、实现和使用。

队列是计算机科学中的基本数据结构，用于以先进先出（fifo）的方式存储和管理数据。然而，在某些场景下，例如实时数据处理或滑动窗口算法，需要一个固定大小的队列来自动淘汰旧元素。本文介绍了一种自定义的slidingqueue实现，它通过扩展标准队列的功能，结合淘汰和随机访问特性来满足这些需求。

代码

public class slidingqueue<t> extends forwardingqueue<t> {

    private final evictingqueue<t> queue;
    // view
    private final arraydeque<t> arraydeque;
    private int cachedhead = -1;
    private object[] cachedelements = null;

    @sneakythrows
    public slidingqueue(int size) {
        this.queue = evictingqueue.create(size);
        this.arraydeque = (arraydeque<t>) fieldutils.readfield(queue, "delegate", true);
    }

    // 只允许添加和删除操作，其他操作都不允许修改队列内容
    @override
    public boolean add(t element) {
        cachedhead = -1;
        return queue.add(element);
    }

    @override
    public t remove() {
        cachedhead = -1;
        return queue.remove();
    }

    // 使用标准实现，下面两个方法委托给上面的add和remove方法
    @override
    public boolean offer(t o) {return standardoffer(o);}
    @override
    public t poll() {return standardpoll();}

    // 默认实现，委托给不可变视图，所有的写操作都默认禁止
    @override
    protected queue<t> delegate() {
        return unmodifiablequeue.unmodifiablequeue(queue);
    }

    // 支持随机访问
    @sneakythrows
    public t get(int index) {
        object[] elements;
        int head;
        if (cachedhead == -1) {
            cachedelements = elements = (object[]) fieldutils.readfield(arraydeque, "elements", true);
            cachedhead = head = (int) fieldutils.readfield(arraydeque, "head", true);
        } else {
            elements = cachedelements;
            head = cachedhead;
        }
        return (t) elements[inc(head, index, elements.length)];
    }

    // 环形数组下标计算
    static int inc(int i, int distance, int modulus) {
        if ((i += distance) - modulus >= 0) i -= modulus;
        return i;
    }
}

实现细节

1. 利用guava的evictingqueue

slidingqueue类基于guava的evictingqueue构建，提供了一个固定大小的队列，当队列达到容量时会自动淘汰最旧的元素。这种行为非常适合只关注最新元素的场景。

private final evictingqueue<t> queue;

2. 使用arraydeque实现高效访问

为了实现随机访问，slidingqueue使用arraydeque作为底层数据结构。这允许通过索引高效地检索元素，这是标准队列实现所不具备的功能。

private final arraydeque<t> arraydeque;

3. 支持随机访问

slidingqueue提供了get(int index)方法，支持对队列中元素的随机访问。这是通过直接访问arraydeque的内部数组实现的。

public t get(int index) {
    // 访问元素数组并计算正确的索引
}

4. 处理循环索引

队列使用循环数组来存储元素，这需要对索引进行仔细处理。inc方法用于在数组范围内计算正确的索引。

static int inc(int i, int distance, int modulus) {
    if ((i += distance) - modulus >= 0) i -= modulus;
    return i;
}

使用示例

slidingqueue可用于需要固定大小、自动淘汰且支持随机访问的场景。以下是一个示例，演示了其用法：

public static void main(string[] args) {
    slidingqueue<integer> q = new slidingqueue<>(5);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        q.offer(i);
        system.out.format("iteration(i = %d): \n", i);
        int[] array = intstream.range(0, q.size()).map(q::get).toarray();
        system.out.println("array extracted:" + arrays.tostring(array));
    }
}

输入结果如下：

iteration(i = 0): 
array extracted:[0]
iteration(i = 1): 
array extracted:[0, 1]
iteration(i = 2): 
array extracted:[0, 1, 2]
iteration(i = 3): 
array extracted:[0, 1, 2, 3]
iteration(i = 4): 
array extracted:[0, 1, 2, 3, 4]
iteration(i = 5): 
array extracted:[1, 2, 3, 4, 5]
iteration(i = 6): 
array extracted:[2, 3, 4, 5, 6]
iteration(i = 7): 
array extracted:[3, 4, 5, 6, 7]
iteration(i = 8): 
array extracted:[4, 5, 6, 7, 8]
iteration(i = 9): 
array extracted:[5, 6, 7, 8, 9]