Java 23 集合框架详解：Queue 接口及实现类（PriorityQueue、LinkedList）

📚 Java 23 集合框架详解：Queue 接口及实现类（PriorityQueue、LinkedList）

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📖 1. 概述

Queue 接口是 Java 集合框架中的一种 先进先出（FIFO） 数据结构，广泛用于任务调度、缓存、异步数据处理等场景。Queue 接口的主要实现类包括：

• PriorityQueue：基于优先级排序的队列。
• LinkedList：作为队列使用时，按插入顺序存储元素。

在 Java 23 中，Queue 接口支持多种操作，例如：

• 插入元素：offer()
• 获取元素：peek()
• 删除元素：poll()

本篇将详细介绍 PriorityQueue 和 LinkedList 的使用案例、底层实现、性能优化方案及多线程优化。

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📋 2. Queue 接口常用方法

方法	描述	返回值
offer(E e)	将元素插入队列（不抛异常）	true 或 false
add(E e)	将元素插入队列（队列满时抛异常）	true 或抛异常
peek()	获取但不删除队首元素（队列为空返回 null）	元素或 null
element()	获取但不删除队首元素（队列为空抛异常）	元素或抛异常
poll()	获取并删除队首元素（队列为空返回 null）	元素或 null
remove()	获取并删除队首元素（队列为空抛异常）	元素或抛异常

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📋 3. PriorityQueue 详解

✅ 3.1 特点

• 基于堆实现，默认使用 最小堆，元素按 自然顺序 排序。
• 可以指定自定义的 比较器 来定义排序规则。
• 不允许存储 null 值。
• 插入和删除操作的时间复杂度为 O(log n)。

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🔧 3.2 使用案例

import java.util.PriorityQueue;

public class PriorityQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个默认的 PriorityQueue
        PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<>();

        // 插入元素
        queue.offer(10);
        queue.offer(5);
        queue.offer(20);

        // 遍历队列
        System.out.println("Priority Queue Elements:");
        queue.forEach(System.out::println);

        // 获取并删除队首元素
        System.out.println("Polled Element: " + queue.poll());

        // 查看队首元素
        System.out.println("Peek Element: " + queue.peek());
    }
}

输出：

Priority Queue Elements:
5
10
20
Polled Element: 5
Peek Element: 10

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🔧 3.3 使用自定义排序的 PriorityQueue

import java.util.PriorityQueue;
import java.util.Comparator;

public class CustomPriorityQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 按降序排序
        PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<>(Comparator.reverseOrder());

        queue.offer(10);
        queue.offer(5);
        queue.offer(20);

        // 遍历队列
        queue.forEach(System.out::println);
    }
}

输出：

20
10
5

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🛠 3.4 优化方案

1. 避免存储 null 值，因为 PriorityQueue 不支持 null。
2. 合理选择排序规则，根据业务需求使用 自然顺序 或 自定义比较器。
3. 在大数据场景下，考虑使用 ArrayDeque 代替，如果排序不是必要的。

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⚠️ 3.5 多线程优化

PriorityQueue 是 线程不安全的，可以使用 PriorityBlockingQueue 替代。

✅ 使用 PriorityBlockingQueue

import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;

public class PriorityBlockingQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        PriorityBlockingQueue<Integer> queue = new PriorityBlockingQueue<>();

        queue.offer(10);
        queue.offer(5);
        queue.offer(20);

        queue.forEach(System.out::println);
    }
}

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📋 4. LinkedList 详解

✅ 4.1 特点

• 基于双向链表实现，既可以作为 列表 使用，也可以作为 队列 使用。
• 允许存储 null 值。
• 插入和删除操作的时间复杂度为 O(1)。

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🔧 4.2 使用案例

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

public class LinkedListQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 LinkedList 作为队列使用
        Queue<String> queue = new LinkedList<>();

        // 插入元素
        queue.offer("Alice");
        queue.offer("Bob");
        queue.offer("Charlie");

        // 遍历队列
        System.out.println("Queue Elements:");
        queue.forEach(System.out::println);

        // 获取并删除队首元素
        System.out.println("Polled Element: " + queue.poll());

        // 查看队首元素
        System.out.println("Peek Element: " + queue.peek());
    }
}

输出：

Queue Elements:
Alice
Bob
Charlie
Polled Element: Alice
Peek Element: Bob

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🛠 4.3 优化方案

1. 避免频繁的随机访问，因为 LinkedList 的随机访问性能较差。
2. 优先使用 ArrayDeque，如果不需要线程安全且操作较频繁。

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⚠️ 4.4 多线程优化

LinkedList 是 线程不安全的，在多线程环境中可以使用 ConcurrentLinkedQueue 替代。

✅ 使用 ConcurrentLinkedQueue

import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;

public class ConcurrentLinkedQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

        queue.offer("Alice");
        queue.offer("Bob");

        queue.forEach(System.out::println);
    }
}

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🔄 5. 两者对比总结

特性	PriorityQueue	LinkedList
底层数据结构	堆	双向链表
排序方式	自然顺序/自定义排序	插入顺序
是否允许 null 值	否	是
插入/删除性能	O(log n)	O(1)
适用场景	优先级任务调度	普通队列操作

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🎯 6. 选择指南

场景	推荐实现类
需要按优先级处理任务	PriorityQueue
需要普通队列操作	LinkedList
需要线程安全的队列	PriorityBlockingQueue 或 ConcurrentLinkedQueue

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⚙️ 7. 总结

• PriorityQueue 是一种 优先级队列，适用于按优先级排序的任务调度场景。
• LinkedList 是一种 双向链表，既可以作为列表使用，也可以作为队列使用，适用于普通队列操作。

在多线程环境中，建议使用 PriorityBlockingQueue 或 ConcurrentLinkedQueue，以确保线程安全。根据实际业务场景选择合适的 Queue 实现类，可以显著提升应用的性能和代码的可读性。