06.队列设计思想和原理

目录介绍

  • 01.先来看一个场景
  • 02.理解什么是队列
  • 03.队列的使用场景
  • 04.什么是顺序队列
  • 05.什么是循环队列
  • 06.什么是阻塞队列
  • 07.什么是并发队列

01.先来看一个场景

  • 线程池处理任务的场景
    • 当我们向固定大小的线程池中请求一个线程时，如果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？是拒绝请求还是排队请求？各种处理策略又是怎么实现的呢？
  • 买票的场景
    • 可以把它想象成排队买票，先来的先买，后来的人只能站末尾，不允许插队。先进者先出，这就是典型的“队列”。

02.理解什么是队列

  • 队列，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。所以，队列是一种操作受限的线性表数据结构。
  • 看一下队列图
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03.队列的使用场景

  • 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。
    • 比如高性能队列+Disruptor，用到了循环并发队列；Java+concurrent+并发包利用+ArrayBlockingQueue+来实现公平锁等。
  • 常见常使用的队列有
    • 顺序队列：
    • 循环队列：
    • 阻塞队列：
    • 并发队列：

04.什么是顺序队列

  • 队列跟栈一样，也是一种抽象的数据结构。
    • 它具有先进先出的特性，支持在队尾插入元素，在队头删除元素，那究竟该如何实现一个队列呢？
    • 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。+我们先来看下基于数组的实现方法。

4.1 用数组实现队列

  • 实现队列的思路
    • 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。
  • 基于数组的实现方法
    public class ArrayQueue{
	
	private String[] items; // 声明一个数组
	private int n; // 数组大小
	private int head = 0; // 队头下标
	private int tail = 0; // 队尾下标
	
	public ArrayQueue(int capacity) {
		items = new String[capacity];
		n = capacity;
	}
	
	// 入队
	public boolean enqueue(String item) {
		if (tail == n) { // tail == n 表示队列已经满了
			return false;
		}
		items[tail] = item;
		++tail;
		return true;
	}
	
	// 出队
	public String dequeue() {
		if(head == tail) { // head == tail 表示队列为空
			return null;
		}
		String ret = items[head];
		++head;
		return ret;
	}
}
  • 来看一下用数组实现队列的草图
    • 当 a、b、c、d 依次入队之后，队列中的 head 指针指向下标为 0 的位置，tail 指针指向下标为 4 的位置。
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    • 当我们调用两次出队操作之后，队列中 head 指针指向下标为 2 的位置，tail 指针仍然指向下标为 4 的位置。
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  • 遇到的问题和分析
    • 随着不停地进行入队、出队操作，head 和 tail 都会持续往后移动。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了。这个问题该如何解决呢？
    • 数组的删除操作也会导致数据的不连续，这时的解决方法是数据搬移。相对于队列来说，每次进出队操作就相当于删除数组下标为0的数据，要搬移整个队列中的数据，这样的出队操作的时间复杂度就会从原来的 O(1) 变为 O(n)。能不能优化一下呢？
    • 在出队时可以不用搬移数据，如果没有空闲空间了，我们只需要在入队时，在集中触发一次数据的搬移操作。
    // 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 tail-head 的位置。
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4.2 用链表实现队列

  • 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。
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05.什么是循环队列

06.什么是阻塞队列

07.什么是并发队列

03.实现原理介绍分析

  • 比起栈的数组实现，队列的数组实现稍微有点儿复杂，但是没关系。对于栈来说，我们只需要一个栈顶指针就可以了。但是队列需要两个指针：一个是 head 指针，指向队头；一个是 tail 指针，指向队尾。
  • 举个例子，当 a、b、c、d+依次入队之后，队列中的 head 指针指向下标为 0 的位置，tail 指针指向下标为 4 的位置。当我们调用两次出队操作之后，队列中 head 指针指向下标为 2 的位置，tail 指针仍然指向下标为 4 的位置。
  • 你肯定已经发现了，随着不停地进行入队、出队操作，head 和 tail 都会持续往后移动。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了。这个问题该如何解决呢？
  • 你是否还记得，在数组那一节，我们也遇到过类似的问题，就是数组的删除操作会导致数组中的数据不连续。你还记得我们当时是怎么解决的吗？对，用数据搬移！但是，每次进行出队操作都相当于删除数组下标为 0 的数据，要搬移整个队列中的数据，这样出队操作的时间复杂度就会从原来的 O(1) 变为 O(n)。能不能优化一下呢？
  • 实际上，我们在出队时可以不用搬移数据。如果没有空闲空间了，我们只需要在入队时，再集中触发一次数据的搬移操作。借助这个思想，出队函数 dequeue() 保持不变，我们稍加改造一下入队函数 enqueue() 的实现，就可以轻松解决刚才的问题了。下面是具体的代码：
    // 入队
public boolean enqueue(String item) {
	if (tail == n) { 
		if (head == 0) {
			return false;
		}
		// 数据搬移
		for (int i = head; i < tail; i++) {
			items[i-head] = items[i];
		}
		// 搬移后，重置指针位置
		tail -= head;
		head = 0;
	}
	items[tail] = item;
	++tail;
	return true;
}
  • 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 tail-head 的位置。这种实现思路中，出队操作的时间复杂度仍然是 O(1)，但入队操作的时间复杂度还是 O(1) 吗？思考一下……

01.什么是链式队列

  • 队列跟栈一样，也是一种抽象的数据结构。它具有先进先出的特性，支持在队尾插入元素，在队头删除元素，那究竟该如何实现一个队列呢？
  • 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。我们先来看下基于链表的实现方法。

02.链式队列实现

  • 基于链表的实现，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->=new_node，tail=ail->next；出队时，head=head->next。
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贡献者: yangchong211