数据结构——队列

队列也是一种数据结构，今天我们主要学习几种基本的队列，然后学习下队列在线程池中的应用。

1. 什么是队列？

队列具有“先进先出，后进后出”的特点。支持操作的也有限，最基本的操作也只有两种：

• 入队enqueue()：放一个数据到队列尾部

• 出队dequeue()：从队列头部取出一个元素

从上图可以看出，队列和栈一样，都是操作受限的线性表数据结构。

队列作为一种非常基础的数据结构，应用非常广泛，特别是一些具有某些额外特性的队列，比如循环队列、阻塞队列、并发队列。它们在很多底层系统、框架、中间件的开发中，起着非常关键的作用。比如高性能Disruptor、Linux环形缓存等，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。

2. 顺序队列和链式队列

队列跟栈一样，都可以使用数组和链表来实现。

• 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

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;
  }
}

在栈中，我们只需要一个栈顶指针，但在数列中需要两个指针：

• head指针：指向队头

• tail指针：指向队尾

为了方便理解，可以结合下面的图来理解：当a、b、c、d依次入队后，队列中的head指针指向下标为0的位置，tail指针指向下标为4的位置。

当调用了两次出队操作后，队列中head指针指向下标为2的位置，tail指针仍然指向下标为4的位置。

从图中我们可以看出，随着不停的进行入队、出队操作，head和tail都会不断的往后移动。当tail移动到最右边时，即使数组中还有空闲的空间，但还是无法继续往队列中添加数据了。为了优化这种情况，我们只需要在出队时，不搬移数据。在入队是，如果没有空闲空间，就集中触发一次数据搬移操作。

所以优化方案就是：出队函数dequeue()保持不变，修改下enqueue()的实现：

// 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;
  }

从上面的代码中可以看到，当队列的tail指针移动到数组最右边后，如果有新的数据入队，就将head和tail之间的数据，整体搬移到数组中0到tail-head的位置。

这种实现思路，出队操作的时间复杂度是O(1)。

链式队列

基于链表的实现，同样需要两个指针：

• head指针：指向链表的第一个结点

• tail指针：指向链表的最后一个结点

代码实现如下：

package queue;

public class QueueBasedOnLinkedList {

  // 队列的队首和队尾
  private Node head = null;
  private Node tail = null;

  // 入队
  public void enqueue(String value) {
    if (tail == null) {
      Node newNode = new Node(value, null);
      head = newNode;
      tail = newNode;
    } else {
      tail.next = new Node(value, null);
      tail = tail.next;
    }
  }

  // 出队
  public String dequeue() {
    if (head == null) return null;

    String value = head.data;
    head = head.next;
    if (head == null) {
      tail = null;
    }
    return value;
  }

  public void printAll() {
    Node p = head;
    while (p != null) {
      System.out.print(p.data + " ");
      p = p.next;
    }
    System.out.println();
  }

  private static class Node {
    private String data;
    private Node next;

    public Node(String data, Node next) {
      this.data = data;
      this.next = next;
    }

    public String getData() {
      return data;
    }
  }
}

为了方便理解，画了如下图：

从图中可以看出：

入队时：tail->next=new_node,tail=tail->next

出队时：head=head->next

3. 循环队列

在前面用数组实现队列的时候，当tail=n时，就会进行数据的搬移操作，这样在入队的时候性能就会受影响。而循环队列就可以有效的避免这种情况下的数据搬移。

循环队列的首尾相连，形成一个环形，如下图所示：

上面队列的大小是8，当前head=4，tail=7。

当有一个新元素a入队时，将其放到下标为7的位置，但此时并不将tail更新为8，而是将其在环中后移一位，到下标为0的位置。

当再有一个新元素b入队时，将其放到下标为0的位置，然后tail加1更新为1。所以，在a、b依次入队后，循环队列就变成了如下所示：

通过上面的方法，就可以避免数据搬移的操作。

在用数组实现的非循环队列中，队满的判断条件是tail == n，队空的判断条件是head==tail。

在循环队列中，队空的条件仍然是head==tail，但队满的条件有点复杂，为了总结出规律，画了一张队满的图，如下所示：

在上图中，head=4，tail=3，n=8，故总结出的规律是（3+1）%8=4，所以在循环队列中，队满的判断条件是：(tail+1)%n=head。

从上面队满的图中可以看到，其实，当队列满的时候，tail指向的位置实际上没有存储数据，所以循环队列会浪费一个数组的存储空间。

循环队列代码实现如下：

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;
  }
}

4. 阻塞队列和并发队列

阻塞队列

在队列的基础上加上阻塞操作。

在队列为空的时候，从队头取数据会被阻塞。因为此时没有数据可取，直到队列中有了数据才能返回；在队列满了的时候，从队尾插入数据就会被阻塞，直到队列中有空闲位置时，再插入数据，然后再返回。

从上面的图可以看出，阻塞队列是一种“生产者——消费者模型”，这种模型可以有效地协调生产和消费的速度。当“生产者”的生产速度过快，“消费者”来不及消费时，存储数据的队列很快就会变满，此时，生产者就会阻塞等待，直到“消费者”消费了数据，“生产者”才会被唤醒继续“生产”。

其实，基于阻塞队列，我们可以通过协调“生产者”和“消费者”的个数来提高数据的处理效率，例如我们可以配置多个“消费者”，如下图所示：

并发队列

在多线程情况下，会有多个线程同时操作队列，而线程安全的队列我们叫作“并发队列”。

并发队列最简单的实现方式就是直接在enqueue()、dequeue()的方法上加锁，同一时刻只允许一个存或取的操作。但当锁粒度较大时，并发度会比较低。

5. 队列在线程池中的应用

当线程池中没有空闲线程时，此时线程池一般有两种处理策略：

1. 非阻塞式的处理方式，直接拒绝任务请求

2. 阻塞式的处理方式，将请求排队，等到有空闲线程时，取出排队的请求继续处理。

为了公平的处理每个排队的请求，我们可以采用队列这种数据结构去处理。从前面我们可以知道队列有基于链表和数组的两种实现方式，但这两种实现方式对于排队请求又有区别：

• 基于链表的实现方式，可以实现一个支持无限排队的无解队列，但可能会导致过多的请求排队等待，请求处理响应的时间过长，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线程池是不合适的。

• 基于数组实现的有界队列，队列的大小有限，在线程池中排队请求超过队列大小时，后续的请求就会直接被拒绝。这种方式对响应时间敏感的系统来说，就会更加合理。但是，设置一个合理的队列大小，也是非常重要的。队列太大会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，不能发挥出最大性能。

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。