队列：队列在线程池等有限资源池中的应用
一、如何理解队列？
队列跟栈一样，也是一种操作受限的线性表数据结构。
栈只支持两个基本操作：入栈 push()和出栈 pop()。队列，先进者先出，入队 enqueue()，放一个数据到队列尾部；出队 dequeue()，从队列头部取一个元素。
队列的应用：比如循环队列、阻塞队列、并发队列。它们在很多偏底层系统、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。
二、顺序队列和链式队列
用数组实现的队列叫作顺序队列，用链表实现的队列叫作链式队列。
1、顺序队列
// 用数组实现的队列
public class ArrayQueue {
// 数组：items，数组大小：n
private String[] items;
private int n = 0;
// head表示队头下标，tail表示队尾下标
private int head = 0;
private int tail = 0;
// 申请一个大小为capacity的数组
public ArrayQueue(int capacity) {
items = new String[capacity];
n = capacity;
}
// 入队
public boolean enqueue(String item) {
// 如果tail == n 表示队列已经满了
if (tail == n) {return false;}
items[tail] = item;
++tail;
return true;
}
// 出队
public String dequeue() {
// 如果head == tail 表示队列为空
if (head == tail) {return null;}
// 为了让其他语言的同学看的更加明确，把--操作放到单独一行来写了
String ret = items[head];
++head;
return ret;
}
}
// 入队操作，将item放入队尾
public boolean enqueue(String item) {
// tail == n表示队列末尾没有空间了
if (tail == n) {
// tail ==n && head==0，表示整个队列都占满了
if (head == 0) {return false;}
// 数据搬移
for (int i = head; i < tail; ++i) {
items[i-head] = items[i];
}
// 搬移完之后重新更新head和tail
tail -= head;
head = 0;
}
items[tail] = item;
++tail;
return true;
}
2、链式队列 : head 指针和 tail 指针。它们分别指向链表的第一个结点和最后一个结点。如图所示，入队时，tail->next= new_node, tail = tail->next；出队时，head = head->next。
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;
}
}
三、循环队列
上面用数组来实现队列的时候，在 tail==n 时，会有数据搬移操作，这样入队操作性能就会受到影响。那么循环队列可以解决。
写好一个循环队列的关键是判断好队列为空和满的情况。
- 队列为空：head == tail
- 队列为满: (tail + 1)/length == head
public class CircularQueue {
// 数组：items，数组大小：n
private String[] items;
private int n = 0;
// head表示队头下标，tail表示队尾下标
private int head = 0;
private int tail = 0;
// 申请一个大小为capacity的数组
public CircularQueue(int capacity) {
items = new String[capacity];
n = capacity;
}
// 入队
public boolean enqueue(String item) {
// 队列满了
if ((tail + 1) % n == head){ return false;}
items[tail] = item;
tail = (tail + 1) % n;
return true;
}
// 出队
public String dequeue() {
// 如果head == tail 表示队列为空
if (head == tail){ return null;}
String ret = items[head];
head = (head + 1) % n;
return ret;
}
}
四、阻塞队列和并发队列
阻塞队列就是在队列的基础上增加了阻塞的操作，即队列为空的时候，从队列头取数据会被阻塞，直到队列不为空的时候再获取。当队列满的时候，从队列尾插入数据会被阻塞，直到队列不满的时候再插入。
上述定义即为一个生产者消费者模型，因此使用阻塞队列能够很容易的实现该模型。参考链接：Java中的并发队列和阻塞队列、生产者消费者
enQueue()和deQueue()方法中加锁。但是锁的并发粒度比较低，同一时刻只能够进行一次操作。基于数组的循环队列，使用CAS操作就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使用更广泛的原因。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。
五、队列如何在线程池中使用
问题：线程池没有空闲线程时，新的任务请求线程资源时，线程池该如何处理？各种处理策略又是如何实现的呢？
答：两种处理策略。第一种是非阻塞的处理方式，直接拒绝任务请求；另一种是阻塞的处理方式，将请求排队，等到有空闲线程时，取出排队的请求继续处理。
那如何存储排队的请求呢？我们希望公平地处理每个排队的请求，先进者先服务，所以队列这种数据结构很适合来存储排队请求。我们前面说过，队列有基于链表和基于数组这两种实现方式。
这两种实现方式对于排队请求又有什么区别呢？
基于链表的实现方式，可以实现一个支持无限排队的无界队列（unbounded queue），但是可能会导致过多的请求排队等待，请求处理的响应时间过长。所以，针对响应时间比较敏感的系统，基于链表实现的无限排队的线程池是不合适的。而基于数组实现的有界队列（bounded queue），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来说，就相对更加合理。不过，设置一个合理的队列大小，也是非常有讲究的。队列太大导致等待的请求太多，队列太小会导致无法充分利用系统资源、发挥最大性能。
除了前面讲到队列应用在线程池请求排队的场景之外，队列可以应用在任何有限资源池中，用于排队请求，比如数据库连接池等。实际上，对于大部分资源有限的场景，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。
