07 队列：队列在线程池等有限资源池中的应用
一、什么是队列？
1.先进者先出，这就是典型的“队列”结构。
2.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。
3.所以，和栈一样，队列也是一种操作受限的线性表。
二、如何实现队列？
1.队列API
public interface Queue<T> {
public void enqueue(T item); //入队
public T dequeue(); //出队
public int size(); //统计元素数量
public boolean isNull(); //是否为空
}
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;
}
}
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;
}
}
4.循环实现(循环队列)
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;
}
}
三、队列有哪些常见的应用？
1.阻塞队列
1）在队列的基础上增加阻塞操作，就成了阻塞队列。
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，然后再返回。
3）从上面的定义可以看出，这就是一个“生产者-消费者模型”。这种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。能够有效解决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）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。
3.线程池资源枯竭的处理
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、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？
分布式应用中的消息队列，也是一种队列结构
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？
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。
