Java中的5大队列，你知道几个？
本文已收录至 https://github.com/vipstone/algorithm 《算法图解》系列。
通过前面文章的学习《一文详解「队列」，手撸队列的3种方法！》我们知道了队列（Queue）是先进先出（FIFO）的，并且我们可以用数组、链表还有 List 的方式来实现自定义队列，那么本文我们来系统的学习一下官方是如何实现队列的。
Java 中的队列有很多，例如：ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityQueue、DelayQueue、SynchronousQueue 等，那它们的作用是什么？又是如何分类的呢？
其实 Java 中的这些队列可以从不同的维度进行分类，例如可以从阻塞和非阻塞进行分类，也可以从有界和无界进行分类，而本文将从队列的功能上进行分类，例如：优先队列、普通队列、双端队列、延迟队列等。
虽然本文的重点是从功能上对队列进行解读，但其它分类也是 Java 中的重要概念，所以我们先来了解一下它们。
阻塞队列和非阻塞队列
阻塞队列（Blocking Queue）提供了可阻塞的 put 和 take 方法，它们与可定时的 offer 和 poll 是等价的。如果队列满了 put 方法会被阻塞等到有空间可用再将元素插入；如果队列是空的，那么 take 方法也会阻塞，直到有元素可用。当队列永远不会被充满时，put 方法和 take 方法就永远不会阻塞。
我们可以从队列的名称中知道此队列是否为阻塞队列，阻塞队列中包含 BlockingQueue 关键字，比如以下这些：
- ArrayBlockingQueue
- LinkedBlockingQueue
- PriorityBlockingQueue
- .......
阻塞队列功能演示
接下来我们来演示一下当阻塞队列的容量满了之后会怎样，示例代码如下：
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
public class BlockingTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 创建一个长度为 5 的阻塞队列
ArrayBlockingQueue q1 = new ArrayBlockingQueue(5);
// 新创建一个线程执行入列
new Thread(() -> {
// 循环 10 次
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
q1.put(i);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(new Date() + " | ArrayBlockingQueue Size:" + q1.size());
}
System.out.println(new Date() + " | For End.");
}).start();
// 新创建一个线程执行出列
new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
try {
// 休眠 1S
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
if (!q1.isEmpty()) {
try {
q1.take(); // 出列
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}).start();
}
}
以上代码的执行结果如下：
Mon Oct 19 20:16:12 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:1
Mon Oct 19 20:16:12 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:2
Mon Oct 19 20:16:12 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:3
Mon Oct 19 20:16:12 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:4
Mon Oct 19 20:16:12 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5
Mon Oct 19 20:16:13 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5
Mon Oct 19 20:16:14 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5
Mon Oct 19 20:16:15 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5
Mon Oct 19 20:16:16 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5
Mon Oct 19 20:16:17 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5
Mon Oct 19 20:16:17 CST 2020 | For End.
从上述结果可以看出，当 ArrayBlockingQueue 队列满了之后就会进入阻塞，当过了 1 秒有元素从队列中移除之后，才会将新的元素入列。
非阻塞队列
非阻塞队列也就是普通队列，它的名字中不会包含 BlockingQueue 关键字，并且它不会包含 put 和 take 方法，当队列满之后如果还有新元素入列会直接返回错误，并不会阻塞的等待着添加元素，如下图所示：
非阻塞队列的典型代表是 ConcurrentLinkedQueue 和 PriorityQueue。
有界队列和无界队列
有界队列：是指有固定大小的队列，比如设定了固定大小的 ArrayBlockingQueue，又或者大小为 0 的 SynchronousQueue。
无界队列：指的是没有设置固定大小的队列，但其实如果没有设置固定大小也是有默认值的，只不过默认值是 Integer.MAX_VALUE，当然实际的使用中不会有这么大的容量（超过 Integer.MAX_VALUE），所以从使用者的角度来看相当于 “无界”的。
按功能分类
接下来就是本文的重点了，我们以功能来划分一下队列，它可以被分为：普通队列、优先队列、双端队列、延迟队列、其他队列等，接下来我们分别来看。
1.普通队列
普通队列（Queue）是指实现了先进先出的基本队列，例如 ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue，其中 ArrayBlockingQueue 是用数组实现的普通队列，如下图所示：
而 LinkedBlockingQueue 是使用链表实现的普通队列，如下图所示：
常用方法
普通队列中的常用方法有以下这些：
- offer()：添加元素，如果队列已满直接返回 false，队列未满则直接插入并返回 true；
- poll()：删除并返回队头元素，当队列为空返回 null；
- add()：添加元素，此方法是对 offer 方法的简单封装，如果队列已满，抛出 IllegalStateException 异常；
- remove()：直接删除队头元素；
- put()：添加元素，如果队列已经满，则会阻塞等待插入；
- take()：删除并返回队头元素，当队列为空，则会阻塞等待；
- peek()：查询队头元素，但不会进行删除；
- element()：对 peek 方法进行简单封装，如果队头元素存在则取出并不删除，如果不存在抛出 NoSuchElementException 异常。
注意：一般情况下 offer() 和 poll() 方法配合使用，put() 和 take() 阻塞方法配合使用，add() 和 remove() 方法会配合使用，程序中常用的是 offer() 和 poll() 方法，因此这两个方法比较友好，不会报错。
接下来我们以 LinkedBlockingQueue 为例，演示一下普通队列的使用：
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
static class LinkedBlockingQueueTest {
public static void main(String[] args) {
LinkedBlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue();
queue.offer("Hello");
queue.offer("Java");
queue.offer("中文社群");
while (!queue.isEmpty()) {
System.out.println(queue.poll());
}
}
}
以上代码的执行结果如下：
Hello
Java
中文社群
2.双端队列
双端队列（Deque）是指队列的头部和尾部都可以同时入队和出队的数据结构，如下图所示：
接下来我们来演示一下双端队列 LinkedBlockingDeque 的使用：
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;
/**
* 双端队列示例
*/
static class LinkedBlockingDequeTest {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个双端队列
LinkedBlockingDeque deque = new LinkedBlockingDeque();
deque.offer("offer"); // 插入首个元素
deque.offerFirst("offerFirst"); // 队头插入元素
deque.offerLast("offerLast"); // 队尾插入元素
while (!deque.isEmpty()) {
// 从头遍历打印
System.out.println(deque.poll());
}
}
}
以上代码的执行结果如下：
offerFirst
offer
offerLast
3.优先队列
优先队列（PriorityQueue）是一种特殊的队列，它并不是先进先出的，而是优先级高的元素先出队。
优先队列是根据二叉堆实现的，二叉堆的数据结构如下图所示：
二叉堆分为两种类型：一种是最大堆一种是最小堆。以上展示的是最大堆，在最大堆中，任意一个父节点的值都大于等于它左右子节点的值。
因为优先队列是基于二叉堆实现的，因此它可以将优先级最好的元素先出队。
接下来我们来演示一下优先队列的使用：
import java.util.PriorityQueue;
public class PriorityQueueTest {
// 自定义的实体类
static class Viper {
private int id; // id
private String name; // 名称
private int level; // 等级
public Viper(int id, String name, int level) {
this.id = id;
this.name = name;
this.level = level;
}
public int getId() {
return id;
}
public void setId(int id) {
this.id = id;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getLevel() {
return level;
}
public void setLevel(int level) {
this.level = level;
}
}
public static void main(String[] args) {
PriorityQueue queue = new PriorityQueue(10, new Comparator<Viper>() {
@Override
public int compare(Viper v1, Viper v2) {
// 设置优先级规则（倒序，等级越高权限越大）
return v2.getLevel() - v1.getLevel();
}
});
// 构建实体类
Viper v1 = new Viper(1, "Java", 1);
Viper v2 = new Viper(2, "MySQL", 5);
Viper v3 = new Viper(3, "Redis", 3);
// 入列
queue.offer(v1);
queue.offer(v2);
queue.offer(v3);
while (!queue.isEmpty()) {
// 遍历名称
Viper item = (Viper) queue.poll();
System.out.println("Name：" + item.getName() +
" Level：" + item.getLevel());
}
}
}
以上代码的执行结果如下：
Name：MySQL Level：5
Name：Redis Level：3
Name：Java Level：1
从上述结果可以看出，优先队列的出队是不考虑入队顺序的，它始终遵循的是优先级高的元素先出队。
4.延迟队列
延迟队列（DelayQueue）是基于优先队列 PriorityQueue 实现的，它可以看作是一种以时间为度量单位的优先的队列，当入队的元素到达指定的延迟时间之后方可出队。
我们来演示一下延迟队列的使用：
import lombok.Getter;
import lombok.Setter;
import java.text.DateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class CustomDelayQueue {
// 延迟消息队列
private static DelayQueue delayQueue = new DelayQueue();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
producer(); // 调用生产者
consumer(); // 调用消费者
}
// 生产者
public static void producer() {
// 添加消息
delayQueue.put(new MyDelay(1000, "消息1"));
delayQueue.put(new MyDelay(3000, "消息2"));
}
// 消费者
public static void consumer() throws InterruptedException {
System.out.println("开始执行时间：" +
DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()));
while (!delayQueue.isEmpty()) {
System.out.println(delayQueue.take());
}
System.out.println("结束执行时间：" +
DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()));
}
static class MyDelay implements Delayed {
// 延迟截止时间（单位：毫秒）
long delayTime = System.currentTimeMillis();
// 借助 lombok 实现
@Getter
@Setter
private String msg;
/**
* 初始化
* @param delayTime 设置延迟执行时间
* @param msg 执行的消息
*/
public MyDelay(long delayTime, String msg) {
this.delayTime = (this.delayTime + delayTime);
this.msg = msg;
}
// 获取剩余时间
@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(delayTime - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
}
// 队列里元素的排序依据
@Override
public int compareTo(Delayed o) {
if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) > o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)) {
return 1;
} else if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) < o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)) {
return -1;
} else {
return 0;
}
}
@Override
public String toString() {
return this.msg;
}
}
}
以上代码的执行结果如下：
开始执行时间：2020-10-20 20:17:28
消息1
消息2
结束执行时间：2020-10-20 20:17:31
从上述结束执行时间和开始执行时间可以看出，消息 1 和消息 2 都正常实现了延迟执行的功能。
5.其他队列
在 Java 的队列中有一个比较特殊的队列 SynchronousQueue，它的特别之处在于它内部没有容器，每次进行 put() 数据后（添加数据），必须等待另一个线程拿走数据后才可以再次添加数据，它的使用示例如下：
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
public class SynchronousQueueTest {
public static void main(String[] args) {
SynchronousQueue queue = new SynchronousQueue();
// 入队
new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 3; i++) {
try {
System.out.println(new Date() + "，元素入队");
queue.put("Data " + i);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
// 出队
new Thread(() -> {
while (true) {
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println(new Date() + "，元素出队：" + queue.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
}
以上代码的执行结果如下：
Mon Oct 19 21:00:21 CST 2020，元素入队
Mon Oct 19 21:00:22 CST 2020，元素出队：Data 0
Mon Oct 19 21:00:22 CST 2020，元素入队
Mon Oct 19 21:00:23 CST 2020，元素出队：Data 1
Mon Oct 19 21:00:23 CST 2020，元素入队
Mon Oct 19 21:00:24 CST 2020，元素出队：Data 2
从上述结果可以看出，当有一个元素入队之后，只有等到另一个线程将元素出队之后，新的元素才能再次入队。
总结
本文讲了 Java 中的 5 种队列：普通队列、双端队列、优先队列、延迟队列、其他队列。其中普通队列的典型代表为 ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue，双端队列的代表为 LinkedBlockingDeque，优先队列的代表为 PriorityQueue，延迟队列的代表为 DelayQueue，最后还讲了内部没有容器的其他队列 SynchronousQueue。
