数据结构与算法学习笔记之先进先出的队列
前言
队列是一种非常实用的数据结构，类似于生活中发排队，可应用于生活，开发中各个方面，比如共享打印机（先请求先打印），消息队列。你想知道他们是怎么工作的么。那就来一起学习一下队列吧
正文
一、队列的定义？
1.一种先进先出的线性表
2.只允许入栈 push()和出栈 pop()
在后端（称为rear）进行插入操作，在前端（称为front）进行删除操作。
二、如何用代码实现队列？
1.java中JDK提供了Queue接口
使得LinkedList实现了该接口，所以使用队列的时候，一般采用LinkedList。因为LinkedList是双向链表，可以很方便的实现队列的所有功能。
Queue使用时要尽量避免Collection的add()和remove()方法，而是要使用offer()来加入元素，使用poll()来获取并移出元素。它们的优点是通过返回值可以判断成功与否，add()和remove()方法在失败的时候会抛出异常。 如果要使用前端而不移出该元素，使用
element()或者peek()方法。
2.数组实现（顺序队列）
public class ArrayQueue {
//存储数据的数组
private String[] items;
//记录数组容量
private int n;
private int size;
//head记录队头索引，tail记录队尾索引
private int head = 0;
private int tail = 0;
//申请一个指定容量的队列
public ArrayQueue(int capacity){
items = new String[capacity];
n = capacity;
}
/*
* 入队：
* 1.堆满的时，入队失败
* 1.1频繁出入队，造成数组使用不连续
* 1.2在入队的时候，集中触发进行数据搬移
* 2.在末尾插入数据，注意tail指向队尾元素的索引+1
*/
public boolean enqueue(String item){
//表示队满
if(head == 0 && tail == n)
return false;
//表示需要数据搬移
else if(head != 0 && tail == n){
for (int i = head; i < tail; i++) {
items[i-head] = items[i];
}
head = 0;
tail = tail - head;
}
//将数据加入队列
items[tail++] = item;
size++;
return true;
}
//出队：1.队空时，出队失败;2.出队，head索引+1
public String dequeue(){
String res = null;
if(head == tail) return res;
res = items[head++];
size--;
return res;
}
}
(代码来源于姜威)
3.链表实现（链式队列）
public class LinkedQueue {
//定义一个节点类
private class Node{
String value;
Node next;
}
//记录队列元素个数
private int size = 0;
//head指向队头结点，tail指向队尾节点
private Node head;
private Node tail;
//申请一个队列
public LinkedQueue(){}
//入队
public boolean enqueue(String item){
Node newNode = new Node();
newNode.value = item;
if (size == 0) head = newNode;
else tail.next = newNode;
tail = newNode;
size++;
return true;
}
//出队
public String dequeue(){
String res = null;
if(size == 0) return res;
if(size == 1) tail = null;
res = head.value;
head = head.next;
size--;
return res;
}
}
(代码来源于姜威)
4.循环队列（基于数组）
循环队列的实现
public class LoopArrayQueue {
//存储数据的数组
private String[] items;
//记录数组容量
private int n;
private int size = 0;
//head记录队头索引，tail记录队尾索引
private int head = 0;
private int tail = 0;
//申请一个指定容量的队列
public LoopArrayQueue(int capacity){
items = new String[capacity];
n = capacity;
}
//入队：关键在于队满的条件
public boolean enqueue(String item){
if ((tail + 1) % n == head) return false;
items[tail] = item;
tail = (tail + 1) % n;
size++;
return true;
}
//出队：关键在于队空的条件
public String dequeue(){
String res = null;
if(head == tail) return res;
res = items[head];
head = (head + 1) % n;
size--;
return res;
}
}
(代码来源于姜威)
三、队列的常见的应用阻塞队列和并发队列
1.阻塞队列
1）在队列的基础上增加阻塞操作，形成了阻塞队列。
2）阻塞队列就是在队列为空的时候，从队头取数据会被阻塞，因为此时还没有数据可取，直到队列中有了数据才能返回；如果队列已经满了，那么插入数据的操作就会被阻塞，直到队列中有空闲位置后再插入数据，然后在返回。
3）“生产者-消费者模型”
(图片来源于王争)
基于阻塞队列实现的“生产者-消费者模型”可以有效地协调生产和消费的速度。
当“生产者”生产数据的速度过快，“消费者”来不及消费时，存储数据的队列很快就会满了，这时生产者就阻塞等待，直到“消费者”消费了数据，“生产者”才会被唤醒继续生产。不仅如此，基于阻塞队列，我们还可以通过协调“生产者”和“消费者”的个数，来提高数据处理效率，比如配置几个消费者，来应对一个生产者。
2.并发队列
1）在多线程的情况下，会有多个线程同时操作队列，这时就会存在线程安全问题。
线程安全问题的队列就称为并发队列。
2）并发队列简单的实现就是在enqueue()、dequeue()方法上加锁，但是锁粒度大并发度会比较低，同一时刻仅允许一个存或取操作。
3）基于数组的循环队列利用CAS原子操作，可以实现非常高效的并发队列。这也是循环队列比链式队列应用更加广泛的原因。
3.线程池资源枯竭是的处理
在资源有限的场景，当没有空闲资源时，基本上都可以通过“队列”这种数据结构来实现请求排队。
四、队列在线程池等有限资源中的应用
当我们向固定大小的线程池中请求一个线程时，如果线程池中没有空闲资源了，这个时候线程池如何处理这个请求？是拒绝请求还是排队请求？各种处理策略又是怎么实现的呢？
两种处理策略：
非阻塞的处理方式，直接拒绝任务请求
阻塞的处理方式，将请求排队，等有空闲线程，取出队列中请求继续处理
基于链表的实现方式，可以实现一个支持无线排队的无界队列，但是可能会导致过多的请求排队，请求处理的响应时间过长
基于数组的实现的有界队列，队列的大小有限，所以线程池中排队的请求超过队列大小时，接下来的请求就会被拒绝，这种方式对响应时间敏感的系统，更加合适；
队列可以应用在任何有限的资源池中，当没有空闲资源都可以通过“队列”来实现请求排队
五、思考
1.除了线程池这种池结构会用到队列排队请求，还有哪些类似线程池结构或者场景中会用到队列的排队请求呢？
在很多偏底层的系统、框架、中间件的开发中，起着关键性的作用。比如高性能队列 Disruptor、Linux 环形缓存，都用到了循环并发队列；Java concurrent 并发包利用 ArrayBlockingQueue 来实现公平锁等。
分布式消息队列，如 kafka 也是一种队列
2.今天讲到并发队列，关于如何实现无锁的并发队列，网上有很多讨论。对这个问题，你怎么看？
可以使用 cas + 数组的方式实现。考虑使用CAS实现无锁队列，则在入队前，获取tail位置，入队时比较tail是否发生变化，如果否，则允许入队，反之，本次入队失败。出队则是获取head位置，进行cas
相关文章
数据结构与算法学习笔记之写链表代码的正确姿势（下）
数据结构与算法学习笔记之 提高读取性能的链表（上）
数据结构与算法学习笔记之 从0编号的数组
数据结构与算法学习笔记之后进先出的“桶”
以上内容为个人的学习笔记，仅作为学习交流之用。
欢迎大家关注公众号，不定时干货，只做有价值的输出
作者：Dawnzhang
出处：https://www.cnblogs.com/clwydjgs/p/9809279.html
版权：本文版权归作者
转载：欢迎转载，但未经作者同意，必须保留此段声明；必须在文章中给出原文连接；否则必究法律责任
