算法与数据结构-队列

(文章目录)

  和栈一样，队列也是一种线性表数据结构，操作有限。但是，队列是先进者先出。

  栈只支持两个基本操作:入栈 push()和出栈 pop()。队列与栈非常相似，支持的操作也非常有限，最基本的操作是两个:入队 enqueue()在队列尾部放一个数据；出队 dequeue()，从队列头部取一个元素。  队列的概念很容易理解，基本操作也很容易掌握。队列作为一种非常基本的数据结构，也被广泛使用，特别是一些具有循环队列、阻塞队列、并发队列等特征的队列。它们在许多底层系统、框架和中间件的开发中起着关键作用。例如高性能队列 Disruptor、Linux 循环并发队列用于环形缓存；Java concurrent 并发包利用 ArrayBlockingQueue 实现公平锁等。

  像栈一样，队列可以用数组或链表来实现。用数组实现的栈称为顺序栈，用链表实现的栈称为链式栈。同样，用数组实现的队列称为顺序队列，用链表实现的队列称为链式队列。

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;        }        // 尾巴是否已经到了数组的最后，移动到最后        if (tail == tArr.length - 1) {            // 移动数组            for (int i = 0; i < size; i++) {                tArr[i] = tArr[head + i];            }            // 重新设置头尾坐标            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;    }}

  从代码中我们可以看到，当队列 tail 指针移动到数组的最右边后，如果有新的数据进入团队，我们可以 head 到 tail 数据之间的数据整体移动到数组 0 到 size(队列大小)(队列大小) 位置。图表如下：

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);        // 对头的空时设置为新节点        if (headNode == null) {            headNode = newNode;        }        // 队尾非空时，将下一个节点设置为新节点        if (tailNode != null) {            tailNode.setNextNode(newNode);        }        // 重建队尾节点        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();        // 将上一个节点设置为栈顶        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，我们还需要两个指针：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。如下图所示：

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;        }        // 尾巴是否已经到了数组的最后，移动到最后        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;    }}

  顾名思义，循环队列看起来像一个环。本来数组有头有尾，是一条直线。现在我们把头尾连接起来，拉成一个环。我画了一张照片，你可以直观地感受到它。>”

  我们可以发现图中这个队列的大小是 8，当前 head=4，tail=6.当有一个新的元素时 a 当我们加入球队时，我们把下标放进去 7 的位置，把 tail 更新为 7.当有另一个元素时 b 入队时，我们会 b 放入下标为 0 位置，然后 tail 更新为0。

  从上图可以看出，队列空的条件是head = tail ,队列满的条件是(tail + 1) = head，当tail + 1 > 8 时，tail + 1 = 0。而且可以使用这个操作（tail + 1）对 8 取模完成，即队列满的条件是 (tail + 1) % 8 = head。

  阻塞队列实际上是在队列的基础上增加阻塞操作。简单地说，当队列是空的时候，从队长那里获取数据就会被阻塞。因为没有数据可取，直到队列中有数据返回；如果队列满了，插入数据的操作将被阻塞，直到队列中有一个空闲位置，然后插入数据，然后返回。

  我们称线程安全队列为并发队列。最简单、最直接的实现方式是直接实现 enqueue()、dequeue() 方法上加锁，但锁粒度大并发度会比较低，同时只允许一次存取操作。事实上，基于数组的循环队列被使用 CAS 原子操作可以实现非常高效的并发队列。这就是为什么循环队列的应用比链式队列更广泛。在实战篇讲 Disruptor 同时，我将详细介绍并发队列的应用程序。

  队列最大的特点是先进先出，主要的两个操作是入队和出队。就像栈一样，它可以用数组或链表来实现。用数组实现的叫顺序队列，用链表实现的叫链队列。尤其是看起来像一个循环队列。当数组实现队列时，会有数据移动操作。为了解决数据移动的问题，我们需要像循环一样的循环队列。