【基础篇】7 # 队列：队列在线程池等有限资源池中的应用

news2024/11/28 4:46:03

说明

【数据结构与算法之美】专栏学习笔记

什么是队列？

队列是一种操作受限的线性表数据结构，特点是先进先出，最基本的操作有：入队 enqueue()，放一个数据到队列尾部；出队 dequeue()，从队列头部取一个元素。

在这里插入图片描述

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

基于数组的队列实现方法

队列需要两个指针：

  • 一个是 head 指针，指向队头；
  • 一个是 tail 指针，指向队尾。

用 Java 语言实现：


// 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;
  }
}

当 tail 移动到最右边，即使数组中还有空闲空间，也无法继续往队列中添加数据，针对这种情况，只需要在入队时，再集中触发一次数据的搬移操作。示意图如下：

在这里插入图片描述

基于链表的队列实现方法

  • 入队时：tail->next= new_node；tail = tail->next
  • 出队时：head = head->next

入队出队示意图：

在这里插入图片描述

/**
 * 基于链表实现的队列。
 *
 * Author: nameczz
 */

class Node {
    constructor(element) {
        this.element = element
        this.next = null
    }
}

export class QueueBasedOnLinkedList {
    constructor() {
        this.head = null
        this.tail = null
    }

    enqueue(value) {
        if (this.head === null) {
            this.head = new Node(value)
            this.tail = this.head
        } else {
            this.tail.next = new Node(value)
            this.tail = this.tail.next
        }
    }

    dequeue() {
        if (this.head !== null) {
            const value = this.head.element
            this.head = this.head.next
            return value
        } else {
            return -1
        }
    }
}

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
    <head>
        <meta charset="UTF-8" />
        <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge" />
        <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" />
        <title>07.基于链表实现的队列</title>
    </head>
    <body>
        <script type="module">
            import { QueueBasedOnLinkedList } from './js/07/QueueBasedOnLinkedList.js';
            const newQueue = new QueueBasedOnLinkedList();
            // 元素入队
            newQueue.enqueue(1);
            newQueue.enqueue(2);
            newQueue.enqueue(3);
            console.log('入队--->', newQueue);
            // 获取元素
            let res = 0;
            console.log("-------获取dequeue元素------");
            while (res !== -1) {
                res = newQueue.dequeue();
                console.log(res);
            }
        </script>
    </body>
</html>

在这里插入图片描述

循环队列

循环队列就是普通队列首尾相连形成了一个环。

比如：下面队列的大小为 8，当前 head=4，tail=7。

在这里插入图片描述

当有一个新的元素 a 入队时，放入下标为 7 的位置。将 tail 更新为 0 ，而不是 8。

如何判断循环队列队空和队满呢?

  • 队空：队列为空的判断条件是 head == tail
  • 队满：当队满时，(tail + 1)%n = head

基于数组的循环队列实现方式

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;
    // 取余运算保证，数组队列的循环插入效果
    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];
    // 因为要保持一个环状，必须通过取余运算才能得到保障！
    head = (head + 1) % n;
    return ret;
  }
}

基于链表实现的循环队列

/**
 * 基于链表实现的循环队列。
 *
 * Author: nameczz
 */

class Node {
    constructor(element) {
        this.element = element
        this.next = null
    }
}

export class CircularQueue {
    constructor() {
        this.head = null
        this.tail = null
    }
	// 入队
    enqueue(value) {
        if (this.head === null) {
            this.head = new Node(value)
            this.head.next = this.head
            this.tail = this.head
        } else {
            const flag = this.head === this.tail
            this.tail.next = new Node(value)
            this.tail.next.next = this.head
            this.tail = this.tail.next
            if (flag) {
                this.head.next = this.tail
            }
        }
    }
	// 出队
    dequeue() {
        if(this.head == null) return -1

        if (this.head === this.tail) {
            const value = this.head.element
            this.head = null
            return value
        } else {
            const value = this.head.element
            this.head = this.head.next
            this.tail.next = this.head
            return value
        } 
    }

    display() {
        let res = 0
        console.log('-------获取dequeue元素------')
        while (res !== -1) {
            res = this.dequeue()
            console.log(res)
        }
    }
}

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
    <head>
        <meta charset="UTF-8" />
        <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge" />
        <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" />
        <title>07.基于链表实现的循环队列</title>
    </head>
    <body>
        <script type="module">
            import { CircularQueue } from "./js/07/CircularQueue.js";

            const newCircularQueue = new CircularQueue();
            // 插入元素
            newCircularQueue.enqueue(1);
            newCircularQueue.enqueue(2);
            newCircularQueue.enqueue(3);
            console.log(newCircularQueue);
            // 获取元素
            newCircularQueue.display();
            newCircularQueue.enqueue(1);
            newCircularQueue.display();
        </script>
    </body>
</html>

在这里插入图片描述

阻塞队列

阻塞队列就是在队列基础上增加了阻塞操作。

  • 在队列为空的时候，从队头取数据会被阻塞。直到队列中有了数据才能返回
  • 如果队列已经满了，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

可以使用阻塞队列实现一个生产者 - 消费者模型，有效地协调生产和消费的速度。

如何实现一个线程安全的队列呢？

线程安全的队列叫作并发队列。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，最简单的解决方式就是直接在 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。

如何实现一个高效的并发队列：

  1. 基于数组的循环队列：避免数据搬移
  2. CAS原子操作：避免真正的去OS底层申请锁资源

队列的应用

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。

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。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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