数据结构之队列

目录

前言

队列的特性

队列的实现 

常见的队列 

循环队列

阻塞队列

并发队列

问题

参考资料

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前言

    队列是我们日常做程序开发常见的一种数据结构，在Java语言，我们常用就是BlockQueue，在线程池中使用。

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 队列的特性

        队列的特性和栈的特性是比较像的都是操作受限制的线性表数据结构，栈有入栈和出栈的操作，队列也有入队和出队的操作。但是有一点不同栈的数据是 先进后出(FILO),但是队列的数据机构是先进先出(FIFO)

队列的实现 

       队列也可以使用数组和链表来实现，用数组实现的队列叫顺序队列，用链表实现的队列叫链式队列。

     相对于栈的实现，队列的实现会稍微复杂一些，栈只需要一个栈顶指针就可以了，而队列需要实现两个指针，head指针，指向对头，tail指针指向队尾。

  具体用数组的实现代码如下：

 
   // 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;
  }

    当数组的容量不够时，我们就需要做数据搬移，实际上，我们在出队的时可以不用搬移数据。如果没有空闲空间了，我们只需要在入队的时，在集中出发一次数据的搬移操作。

常见的队列 

循环队列

    在数组实现的队列的时候，在tail=n的时候，会需要做数据迁移，循环队列就是一种解决方案，原本的数组有头有尾，现在将尾与头相连形成一个环。

   想要通过代码实现循环队列，有一个关键的点就是确定好队空和队满的判定条件。

   当队满的时，(tail+1)%n=head。

  具体的代码实现如下

 
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;
  }
}

阻塞队列

     阻塞队列其实就是在队列的基础上增加了阻塞的操作。总的来说就是当队列为空的时候，从队列取数据的操作会被阻塞，直到队列中有数据。当队列数据满的时候，从队列中插入数据的操作会被阻塞。直到队列中的数据被取出，有空余的位置可以插入。

  这是比较典型的生产者-消费者模型，可以有效的协调生成和消费的速度。

      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

       线程安全的队列我们叫为并发队列。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。

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问题

线程池没有空闲线程是，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。

我们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。

那如何存储排队的请求呢？我们希望公平地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来存储排队请求。

我们前面说过，队列有基于链表和基于数组这两种实现方式。这两种实现方式对于排队请求又有什么区别呢？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（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。而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。

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参考资料

本章内容来源于对王争大佬的《数据结构与算法之美》的专栏。 

09 | 队列：队列在线程池等有限资源池中的应用-极客时间