文章目录
- 什么是队列
- 队列和栈的区别
- 队列的类型
- 顺序队列
- 链式队列
- 循环队列
- 阻塞队列
- 并发队列
- 总结
什么是队列
队列跟栈一样，也是一种操作受限的线性表数据结构。不过，队列是先进者先出。
队列和栈的区别
栈只支持两个基本操作：入栈 push()和出栈 pop()。队列跟栈非常相似，支持的操作也很有限，最基本的操作也是两个：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。
队列的概念很好理解，基本操作也很容易掌握。作为一种非常基础的数据结构，队列的应用也非常广泛，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。它们在很多偏底层系统、框架、中间件的开发中，起着关键性的作用。比如高性能队列 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。
队列的类型
跟栈一样，队列可以用数组来实现，也可以用链表来实现。用数组实现的栈叫作顺序栈，用链表实现的栈叫作链式栈。同样，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
public class ArrayQueue<T> {
/**
* 存储数据的数组
*/
private T[] tArr;
/**
* 头坐标
*/
private int head = 0;
/**
* 尾坐标
*/
private int tail = -1;
/**
* 队列容量
*/
@Getter
private int size = 0;
/**
* 构造函数
*/
public ArrayQueue(int arrLength) {
tArr = (T[]) new Object[arrLength];
}
/**
* 入队，线程不安全
*/
public boolean offer(T t) {
// 队列是否已满
if (size == tArr.length) {
return false;
}
// 尾是否已到数组最后，到达最后则移动
if (tail == tArr.length - 1) {
// 移动数组
for (int i = 0; i < size; i++) {
tArr[i] = tArr[head + i];
}
// 重设头尾坐标
head = 0;
tail = tail - size;
}
// 设置值
tail++;
tArr[tail] = t;
size++;
return true;
}
/**
* 出队，线程不安全
*/
public T take() {
// 队列是否为空
if (size == 0) {
return null;
}
// 取值
T t = tArr[head];
head++;
size--;
return t;
}
}
从代码中我们看到，当队列的 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 到 tail 之间的数据，整体搬移到数组中 0 到 size（队列大小） 的位置。图示如下：
链式队列
public class LinkedQueue<T> {
/**
* 队列头部节点
*/
private QueueNode<T> headNode = null;
/**
* 队列尾部节点
*/
private QueueNode<T> tailNode = null;
/**
* 入队，线程不安全
*/
public boolean offer(T t) {
// 定义新节点
QueueNode<T> newNode = new QueueNode<>();
newNode.setData(t);
// 对头为空时设置为新节点
if (headNode == null) {
headNode = newNode;
}
// 队尾非空时，设置其下一节点为新节点
if (tailNode != null) {
tailNode.setNextNode(newNode);
}
// 重设队尾节点
tailNode = newNode;
return true;
}
/**
* 出队，线程不安全
*/
public T take() {
// 队列为空
if (headNode == null) {
return null;
}
// 获取当前节点的数据
T data = headNode.getData();
// 取上一节点设置为栈顶
headNode = headNode.getNextNode();
return data;
}
@Data
private class QueueNode<T> {
/**
* 数据
*/
private T data;
/**
* 上一个节点
*/
private QueueNode<T> nextNode = null;
}
}
基于链表的实现，我们同样需要两个指针：head 指针和 tail 指针。它们分别指向链表的第一个结点和最后一个结点。如图所示，入队时，tail->next= new_node, tail = tail->next；出队时，head = head->next。我们图示如下：
循环队列
public class CircleQueue<T> {
/**
* 存储数据的数组
*/
private T[] tArr;
/**
* 头坐标
*/
private int head = 0;
/**
* 尾坐标
*/
private int tail = -1;
/**
* 队列容量
*/
@Getter
private int size = 0;
/**
* 构造函数
*/
public CircleQueue(int arrLength) {
tArr = (T[]) new Object[arrLength];
}
/**
* 入队，线程不安全
*/
public boolean offer(T t) {
// 队列是否已满
if (size == tArr.length) {
return false;
}
// 尾是否已到数组最后，到达最后则移动
int newTail = (tail + 1) % tArr.length;
// 设置值
tArr[newTail] = t;
tail = newTail;
size++;
return true;
}
/**
* 出队，线程不安全
*/
public T take() {
// 队列是否为空
if (size == 0) {
return null;
}
// 取值
T t = tArr[head];
head = head + 1 % tArr.length;
size--;
return t;
}
}
循环队列，顾名思义，它长得像一个环。原本数组是有头有尾的，是一条直线。现在我们把首尾相连，扳成了一个环。我画了一张图，你可以直观地感受一下。
我们可以发现，图中这个队列的大小为 8，当前 head=4，tail=6。当有一个新的元素 a 入队时，我们放入下标为 7 的位置，把 tail 更新为 7。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 更新为0。
从上面的图中我们可以看到，队列为空的条件是head = tail ,而队列满的条件是(tail + 1) = head，当tail + 1 > 8 时，tail + 1 = 0。而这个操作可以用（tail + 1）对 8 取模来完成，即队列满的条件是 (tail + 1) % 8 = head。
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。简单来说，就是在队列为空的时候，从队头取数据会被阻塞。因为此时还没有数据可取，直到队列中有了数据才能返回；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。
并发队列
线程安全的队列我们叫作并发队列。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。在实战篇讲 Disruptor 的时候，我会再详细讲并发队列的应用。
总结
队列最大的特点就是先进先出，主要的两个操作是入队和出队。跟栈一样，它既可以用数组来实现，也可以用链表来实现。用数组实现的叫顺序队列，用链表实现的叫链式队列。特别是长得像一个环的循环队列。在数组实现队列的时候，会有数据搬移操作，要想解决数据搬移的问题，我们就需要像环一样的循环队列。
