Java学习笔记——容器之Queue
Queue是一种很常见的数据结构类型，在Java里面Queue是一个接口，它只是定义了一个基本的Queue应该有哪些功能规约。实际上有多个Queue的实现，有的是采用线性表实现，有的基于链表实现。还有的适用于多线程的环境。java中具有Queue功能的类主要有如下几个：AbstractQueue, ArrayBlockingQueue, ConcurrentLinkedQueue, LinkedBlockingQueue, DelayQueue, LinkedList, PriorityBlockingQueue, PriorityQueue和ArrayDqueue。
Queue
Queue本身是一种先入先出的模型(FIFO)，和我们日常生活中的排队模型很类似。根据不同的实现，他们主要有数组和链表两种实现形式。如下图：
因为在队列里和我们日常的模型很近似，每次如果要出队的话，都是从队头移除。而如果每次要加入新的元素，则要在队尾加。所以我们要在队列里保存队头和队尾。
在jdk里几个常用队列实现之间的类关系图如下：
可以看到，Deque也是一个接口，它继承了Queue的接口规范。Queue作为一个接口，它声明的几个基本操作无非就是入队和出队的操作，具体定义如下：
public interface Queue extends Collection {
boolean add(E e); // 添加元素到队列中，相当于进入队尾排队。
boolean offer(E e); //添加元素到队列中，相当于进入队尾排队.
E remove(); //移除队头元素
E poll(); //移除队头元素
E element(); //获取但不移除队列头的元素
E peek(); //获取但不移除队列头的元素
} 有了这些接口定义的规约，我们就可以很容易的在后续的详细实现里察看具体细节。
Deque
按照我们一般的理解，Deque是一个双向队列，这将意味着它不过是对Queue接口的增强。
如果仔细分析Deque接口代码的话，我们会发现它里面主要包含有4个部分的功能定义。
1. 双向队列特定方法定义。
2. Queue方法定义。
3. Stack方法定义。
4. Collection方法定义。
第3，4部分的方法相当于告诉我们，具体实现Deque的类我们也可以把他们当成Stack和普通的Collection来使用。这也是接口定义规约带来的好处。这里我们就不再赘述。DeQueue的定义如下：
public interface Deque extends Queue {
void addFirst(E e);
void addLast(E e);
boolean offerFirst(E e);
boolean offerLast(E e);
E removeFirst();
E removeLast();
E pollFirst();
E pollLast();
E getFirst();
E getLast();
E peekFirst();
E peekLast();
boolean removeFirstOccurrence(Object o);
boolean removeLastOccurrence(Object o);
// *** Queue methods ***
boolean add(E e);
boolean offer(E e);
E remove();
E poll();
E element();
E peek();
// *** Stack methods ***
void push(E e);
E pop();
// *** Collection methods ***
boolean remove(Object o);
boolean contains(Object o);
public int size();
Iterator iterator();
Iterator descendingIterator();
} 下面将分别简单介绍几种常用的队列：ArrayDeque、ArrayBlockingQueue、PriorityQuue、PriorityBlockingQueue、LinkedBlockingDeque、LinkedBlockingQueue、ConcurrentLinkedDeque、ConcurrentLinkedQueue
1.ArrayDeque
ArrayDeque继承自AbstractCollection，是最简单的队列，有以下特征：
a. 采用数组存储数据，
b. 扩容也是采用2倍扩容的方式
c. 有head和tail两个成员变量，在队尾插入数据时，tail加1，从队头弹出数据时head+1，当head==tail时，便进行扩容。
ArrayDeque中在队尾插入数据的源码如下：
public void addLast(E e) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
elements[tail] = e;
if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
doubleCapacity();
}2.ArrayBlockingQueue
ArrayBlockingQueue也是采用数组存储数据的，但是它继承自AbstractQueue，之所以它是Blocking的是因为当put或poll数据时，如果Queue是满的或者没有数据，当前线程将阻塞等待，直到满足条件或当前线程被其他线程中断。它通过ReetranLock及其两个信号量notfFull和notEmpty实现线程安全的。构造函数如下：
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
lock = new ReentrantLock(fair);
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}ArrayBlockingQueue表示队首和队尾的成员变量分别是tableIndex和putIndex，定义如下：
/** items index for next take, poll, peek or remove */
int takeIndex;
/** items index for next put, offer, or add */
int putIndex;
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
enqueue(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}
private void enqueue(E x) {
// assert lock.getHoldCount() == 1;
// assert items[putIndex] == null;
final Object[] items = this.items;
items[putIndex] = x;
if (++putIndex == items.length)
putIndex = 0;
count++;
notEmpty.signal();
}
public E poll() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
return (count == 0) ? null : dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
private E dequeue() {
// assert lock.getHoldCount() == 1;
// assert items[takeIndex] != null;
final Object[] items = this.items;
@SuppressWarnings("unchecked")
E x = (E) items[takeIndex];
items[takeIndex] = null;
if (++takeIndex == items.length)
takeIndex = 0;
count--;
if (itrs != null)
itrs.elementDequeued();
notFull.signal();
return x;
}除了通用的put和poll方法外，ArrayBlockingQueue还提供了带定时参数的put和poll方法，即如果无法取得相应的信号量，将等待固定的时间后返回，源码如下：
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length) {
if (nanos <= 0)
return false;
nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
}
enqueue(e);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0) {
if (nanos <= 0)
return null;
nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
}
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}a. 用数组存储数据
b. 容量固定，不支持扩容，构造时必须插入容量值
c. 通过同步锁和信号量实现了线程安全。
d. 实现了Queue接口的方法，同时提供超时返回的offer和poll方法
e. 由于是线程安全的，因此不会有fail-fast问题。
3.PriorityQueue
PriorityQuue继承自AbstractQueue，通过构造函数传入的Comparator或者数据成员实现的Comparable接口的方法来确定成员间的优先级。PriorityQueue也是采用数组存储数据的，它只保证队首是最小的，其他的不保证顺序。插入时，会采用二分法将数据插入到最前面（注意，PriorityQueue是支持扩容的）插入数据的源码如下：
public boolean offer(E e) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
modCount++;
int i = size;
if (i >= queue.length)
grow(i + 1);
size = i + 1;
if (i == 0)
queue[0] = e;
else
siftUp(i, e);
return true;
}
private void siftUp(int k, E x) {
if (comparator != null)
siftUpUsingComparator(k, x);
else
siftUpComparable(k, x);
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private void siftUpComparable(int k, E x) {
Comparable key = (Comparable) x;
while (k > 0) {
int parent = (k - 1) >>> 1;
Object e = queue[parent];
if (key.compareTo((E) e) >= 0)
break;
queue[k] = e;
k = parent;
}
queue[k] = key;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private void siftUpUsingComparator(int k, E x) {
while (k > 0) {
int parent = (k - 1) >>> 1;
Object e = queue[parent];
if (comparator.compare(x, (E) e) >= 0)
break;
queue[k] = e;
k = parent;
}
queue[k] = x;
}弹出队首数据时，先将队首数据保存，然后将队尾数据放到队首后再按照父节点小于子节点的原则下降，弹出数据源码如下：
public E poll() {
if (size == 0)
return null;
int s = --size;
modCount++;
E result = (E) queue[0];
E x = (E) queue[s];
queue[s] = null;
if (s != 0)
siftDown(0, x);
return result;
}
private void siftDown(int k, E x) {
if (comparator != null)
siftDownUsingComparator(k, x);
else
siftDownComparable(k, x);
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private void siftDownComparable(int k, E x) {
Comparable key = (Comparable)x;
int half = size >>> 1; // loop while a non-leaf
while (k < half) {
int child = (k << 1) + 1; // assume left child is least
Object c = queue[child];
int right = child + 1;
if (right < size &&
((Comparable) c).compareTo((E) queue[right]) > 0)
c = queue[child = right];
if (key.compareTo((E) c) <= 0)
break;
queue[k] = c;
k = child;
}
queue[k] = key;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private void siftDownUsingComparator(int k, E x) {
int half = size >>> 1;
while (k < half) {
int child = (k << 1) + 1;
Object c = queue[child];
int right = child + 1;
if (right < size &&
comparator.compare((E) c, (E) queue[right]) > 0)
c = queue[child = right];
if (comparator.compare(x, (E) c) <= 0)
break;
queue[k] = c;
k = child;
}
queue[k] = x;
}总结一下PriorityQueue的特征如下：
a. 采用数组存储数据
b. 支持扩容，当长度小于64时按+2扩容，否则按2倍扩容
c. 按Comparable接口或Comparator确定优先级
d. 队首的数据是最小的，但不保证其他数据的顺序。
e. 节点k的父节点是k/2，父节点的值小于子节点。
4.PriorityBlockingQueue
PriorityBlockingQueue继承自AbstractQueue，实现同PriorityQueue大同小异，只不过在对数据进行操作前使用了ReentrantLock实现了线程同步，PriorityBlockingQueue具有以下特征：
a. 具有所有PriorityQueue的特征
b. 采用同步锁实现线程安全
c. 由于支持扩容，因此add数据时，只需获取lock锁，不需要获取信号量
d. poll时需要获取notEmpty信号量，同时提供了超时退出的poll方法
5. LinkedBlockingDeque
LinkedBlockingDeque继承自AbstractQueue，采用链表结构存储数据，同时使用ReentrantLock保证线程安全，同时有notEmpty和notFull两个信号量。总结如下：
a. 采用链表存储数据，但容量固定，默认容量为最大整数。
b. 使用同步锁保证线程安全
c. 可以在队首和队尾插入或删除数据
d. 插入数据时，先获取lock，然后获取notFull信号量，插入后重置notEmpty信号量
e. 弹出数据时，先获取lock，得到数据后，重置notFull信号量（无数据时pop和poll方法会返回，takeFirst和takeLast会等待notEmpty信号量）
f. 提供了插入或弹出数据对应的超时返回方法。
6. LinedBlockingQueue
LinkedBlockingQueue也是继承自AbstractQueue，采用链表存储数据，它和LinkedBlockingDeque的区别在于，它有两把同步锁putLock和takeLock，分别控制数据的写入和弹出，并且它只能在队尾插入数据，从队首弹出数据。总结如下：
a. 采用链表存储数据，但容量固定，默认容量为最大整数
b. 读写分离的，有两把同步锁：写锁putLock和读锁takeLock
c. 只能在队尾插入数据，从队首弹出数据
d. 插入数据时，获取putLock锁，并等待notFull信号量，插入数据完成后，重置notEmpty信号量，如果队列没满则重置notFull信号量。
e. 弹出数据时，获取takeLock锁，获取到数据后，重置notFull信号量，如果队列仍不为空，重置notEmpty信号量。
7.ConcurrentLinkedQueue
ConcurrentLinkedQueue继承自AbstractQueue，采用链表存储数据，与上述几个实现线程的Queue方法不同，它通过Unsafe的CAS（compareAndSwap）方法实现线程安全（Unsafe相当于在JVM底层通过操作内存修改数据，如果在修改过程中数据没改变则替换成要修改的值，否则修改失败），总结如下：
a. 用链表存储数据，没有限制容量
b. 使用Unsafe类实现线程安全