数据结构与算法学习笔记之先进先出的队列

前言

　　队列是一种很是实用的数据结构，相似于生活中发排队，可应用于生活，开发中各个方面，好比共享打印机（先请求先打印），消息队列。你想知道他们是怎么工做的么。那就来一块儿学习一下队列吧

 

正文

1、队列的定义？

1.一种先进先出的线性表

2.只容许入栈 push()和出栈 pop()

在后端（称为rear）进行插入操做，在前端（称为front）进行删除操做。

 

2、如何用代码实现队列？

1.java中JDK提供了Queue接口

使得LinkedList实现了该接口，因此使用队列的时候，通常采用LinkedList。由于LinkedList是双向链表，能够很方便的实现队列的全部功能。

Queue使用时要尽可能避免Collection的add()和remove()方法，而是要使用offer()来加入元素，使用poll()来获取并移出元素。它们的优势是经过返回值能够判断成功与否，add()和remove()方法在失败的时候会抛出异常。 若是要使用前端而不移出该元素，使用
element()或者peek()方法。

 

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，形成数组使用不连续 * 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; //表示须要数据搬移
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; } }

(代码来源于姜威)

 

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; } }

(代码来源于姜威)

4.循环队列（基于数组）

循环队列的实现 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; } }

(代码来源于姜威)

 

3、队列的常见的应用阻塞队列和并发队列

 

1.阻塞队列

1）在队列的基础上增长阻塞操做，造成了阻塞队列。
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，由于此时尚未数据可取，直到队列中有了数据才能返回；若是队列已经满了，那么插入数据的操做就会被阻塞，直到队列中有空闲位置后再插入数据，而后在返回。
3）“生产者-消费者模型”

(图片来源于王争)

基于阻塞队列实现的“生产者-消费者模型”能够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。不只如此，基于阻塞队列，咱们还能够经过协调“生产者”和“消费者”的个数，来提升数据处理效率，好比配置几个消费者，来应对一个生产者。

 

2.并发队列

1）在多线程的状况下，会有多个线程同时操做队列，这时就会存在线程安全问题。

　　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，可是锁粒度大并发度会比较低，同一时刻仅容许一个存或取操做。
3）基于数组的循环队列利用CAS原子操做，能够实现很是高效的并发队列。这也是循环队列比链式队列应用更加普遍的缘由。
3.线程池资源枯竭是的处理
在资源有限的场景，当没有空闲资源时，基本上均可以经过“队列”这种数据结构来实现请求排队。

 

4、队列在线程池等有限资源中的应用

当咱们向固定大小的线程池中请求一个线程时，若是线程池中没有空闲资源了，这个时候线程池如何处理这个请求？是拒绝请求仍是排队请求？各类处理策略又是怎么实现的呢？

两种处理策略：

　　非阻塞的处理方式，直接拒绝任务请求

　　阻塞的处理方式，将请求排队，等有空闲线程，取出队列中请求继续处理

基于链表的实现方式，能够实现一个支持无线排队的无界队列，可是可能会致使过多的请求排队，请求处理的响应时间过长

基于数组的实现的有界队列，队列的大小有限，因此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，更加合适；

队列能够应用在任何有限的资源池中，当没有空闲资源均可以经过“队列”来实现请求排队

 

5、思考

1.除了线程池这种池结构会用到队列排队请求，还有哪些相似线程池结构或者场景中会用到队列的排队请求呢？

 

在不少偏底层的系统、框架、中间件的开发中，起着关键性的做用。好比高性能队列 Disruptor、Linux 环形缓存，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。

分布式消息队列，如 kafka 也是一种队列

 

2.今天讲到并发队列，关于如何实现无锁的并发队列，网上有不少讨论。对这个问题，你怎么看？

 

可使用 cas + 数组的方式实现。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，若是否，则容许入队，反之，本次入队失败。出队则是获取head位置，进行cas

 

 

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做者：Dawnzhang 
出处：http://www.javashuo.com/article/p-ofwpygma-ev.html

 

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