队列：队列在线程池等有限资源池中的应用
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？
如何理解“队列”？
- 先进者先出，这就是典型的“队列”结构。
- 支持两个操作：入队enqueue()，放一个数据到队尾；出队dequeue()，从队头取一个元素。
- 和栈一样，队列也是一种操作受限的线性表。
顺序队列和链式队列
- 跟栈一样，队列可以用数组来实现，也可以用链表来实现。用数组实现的栈叫作顺序栈，用链表实现的栈叫作链式栈。同样，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。
// 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;
}
}
- 队列需要两个指针：一个是 head 指针，指向队头；一个是 tail 指针，指向队尾。
- 随着不停地进行入队、出队操作，head 和 tail 都会持续往后移动。当 tail 移动到最右边，即使数组中还有空闲空间，也无法继续往队列中添加数据了。
实际上，我们在出队时可以不用搬移数据。如果没有空闲空间了，只需要在入队时，再集中触发一次数据的搬移操作。出队函数 dequeue() 保持不变，我们稍加改造一下入队函数 enqueue() 的实现，当队列的 tail 指针移动到数组的最右边后，如果有新的数据入队，我们可以将 head 到 tail 之间的数据，整体搬移到数组中 0 到 tail-head 的位置。 - 基于链表的实现，同样需要两个指针：head 指针和 tail 指针。分别指向链表的第一个结点和最后一个结点。入队时，tail->next= new_node, tail = tail->next；出队时，head = head->next。
循环队列
- 循环队列，原本数组是有头有尾的，是一条直线。把首尾相连，扳成了一个环。
- 在数组实现队列的时候，会有数据搬移操作，要想解决数据搬移的问题，需要像环一样的循环队列。
- 要想写出没有 bug 的循环队列的实现代码，最关键的是，确定好队空和队满的判定条件。
1）队列为空的判断条件仍然是 head == tail。
2）当队满时，(tail+1)%n=head。 tail 指向的位置实际上是没有存储数据的。所以，循环队列会浪费一个数组的存储空间。
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;
}
}
当队列满时，图中的 tail 指向的位置实际上是没有存储数据的。所以，循环队列会浪费一个数组的存储空间。
阻塞队列和并发队列
阻塞队列
- 阻塞队列就是在队列基础上增加了阻塞操作。
- 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，然后再返回。
- 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。这个时候，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”。
并发队列
- 线程安全的队列，叫作并发队列。
- 最简单直接的实现方式是直接在 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者取操作。
- 实际上，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。
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？
一般有两种处理策略。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。
- 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。
- 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。）
// 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;
}
}
对于栈来说，我们只需要一个栈顶指针就可以了。但是队列需要两个指针：一个是 head 指针，指向队头；一个是 tail 指针，指向队尾。
总结：在正常情况下，队列的入队和出队操作时间复杂度都是O(1)，在进行“数据搬移”改造的情况下，入队的时间复杂度我是这么分析的：
如果队尾没有满，可以直接入队，时间复杂度为O(1)。
如果队尾已满的情况下，就必须进行数据搬移了，tail=n,搬移的时间复杂度为O(n).
总体情况来看，tail的可能是0n的任意值，在0n-1的时候队列入队的时间复杂度都是O(1)，不需要搬移直接入队即可；只有当tail=n的时候时间复杂度才迅速飙升为O(n)，即需要进行n次搬移，此时n次的搬移如果均摊到0~n-1这n次上，其实总体的均摊复杂度还是O(1)。
