数据结构与算法、第七篇：队列

队列

什么是队列

先进者先出，这就是典型的队列。 队列和栈一样，也是一种操作受限的线性表数据结构

队列的操作

入队和出队

• 入队：放一个数据到队列尾部
• 出队：从队列头部取一个元素

队列的分类

顺序队列和链式队列

• 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

队列的应用

循环队列、阻塞队列、并发队列

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1. 基于数组的实现方法

   // 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;
     }
   
     // 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;
     }
   }
   

   实现队列需要两个指针：head指针，指向对头；tail指针，指向队尾

   结合图片，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
   
   当调用两次出队操作之后，队列中的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
   
   当不断的进行入队、出队操作，head和tail会持续往后移动。当tail移动到最右边，即便数组中还有空闲空间，也无法往队列中添加数据了。这个时候就需要数据搬移。
   当队列操作时，我们在出队的时候可以不用搬移数据，如果没有空闲空间了，我们只需要在入队时，集中触发一次搬移操作。
   
   从代码中看，当队列中的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和tail之间的数据，整体搬移到数组0到tail-head的位置

2. 基于链表的队列实现方法

   基于链表实现，也需要两个指针：head指针和tail指针，他们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
   

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循环队列

问题：

用数组实现队列的时候，在tail==n时，会有数据搬移操作，这样入队的操作性能会受到影响。如何避免数据搬移呢

循环队列是什么：

循环队列，顾名思义，长得像一个环。

循环队列注重点

循环队列队满的情况，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

实现细节

图中这个队列的大小为8，当前head=4，tail=7.

• 当有一个新的元素a入队时，我们放入下标为7的位置。但这个时候，我们并不把tail更新为8，而是将其在环中后移以为，到下标为0的位置，
• 当再有一个元素b入队时，我们将b放入下标为0的位置，然后tail加1更新为1。
  所以，在a，b依次入队之后循环队列中的元素就变成下面的样子

通过这样的方法，我们成功的避免了数据搬移操作

实现循环队列的关键：确认好队空和队满的判定条件

队满的条件分析：tail=3，head=4，n=8 所以总结规律：（3+1）%8 = 4
整合成公式就是 ： (tail+1)%n = head

1. 非循环队列：
   • 队空条件 head == tail
   • 队满条件 tail == n
2. 循环队列
   • 对空条件 head == tail
   • 队满条件 (tail+1)%n = head
     
     

阻塞队列和并发队列

阻塞队列

阻塞队列其实就是在队列基础上增加了阻塞操作。

• 在队列为空的时候，从对头取数据就会被阻塞。因为此时还没有数据可取，直到队列中有了数据才能返回；
• 当队列已经满了，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

这种基于阻塞队列实现的 生产者 - 消费者模型，可以有效的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，生产者就会堵塞等待，直到’消费者’消费了数据，'生产者’才会被唤醒继续生产。

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，来提高数据的处理效率。

并发队列

问题：

在多线程情况下，会有多个线程同时操作队列，这个时候就会存在线程安全问题，那如何实现一个线程安全的队列呢？

什么是并发队列

线程安全的队列我们叫做并发队列

解决

• 最简单直接的实现方式是直接在enqueue()、dequeue()方法上加锁，但是锁颗粒大并发度会比较低，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，可以实现高效的并发队列。

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问题：

当我们向固定大小的线程池中请求一个线程时，如果线城池中没有空闲资源了，这个时候线程池如何处理这个请求？ 是拒绝还是排队请求？各种处理策略又是怎么是实现的呢？

解决：

1. 非阻塞的处理方式： 直接拒绝任务请求
2. 阻塞的处理方式：将请求排队，等到有空闲线程时，去除排队的请求继续处理。那如何存储排队的请求呢？

我们都希望公平的处理每个排队的请求，先进者先服务，所以队列这种数据结构很适合存储排队请求。
队列有基于链表和基于数组两种实现方式。这两种实现方式对于排队请求有什么区别呢

• 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，但是可能会导致过多的排队等待，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
• 基于数组的实现方式：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

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操作结构来实现请求排队

图片来自于王争