队列

一、什么是队列？

1. 先进者先出，这就是典型的“队列”结构。
2. 支持两个操作：入队enqueue()，放一个数据到队尾；出队dequeue()，从队头取一个元素。
3. 所以，和栈一样，队列也是一种操作受限的线性表。

二、如何实现队列？

1. 队列API

public interface Queue {
    public void enqueue(T item); //入队
    public T dequeue(); //出队
    public int size(); //统计元素数量
    public boolean isNull(); //是否为空
}

2.数组实现（顺序队列）

    public class ArrayQueue {
        //存储数据的数组
        private String[] items;
        //记录数组容量
        private int n;
        private int size;
        //head记录队头索引，tail记录队尾索引
        private int head = 0;
        private int tail = 0;

        //申请一个指定容量的队列
        public ArrayQueue(int capacity) {
            items = new String[capacity];
            n = capacity;
        }

        /*
         * 入队：
         * 1.堆满的时，入队失败
         * 1.1频繁出入队，造成数组使用不连续
         * 1.2在入队的时候，集中触发进行数据搬移
         * 2.在末尾插入数据，注意tail指向队尾元素的索引+1
         */
        public boolean enqueue(String item) {
            //表示队满
            if (head == 0 && tail == n)
                return false;
            //表示需要数据搬移
            else if (head != 0 && tail == n) {
                for (int i = head; i < tail; i++) {
                    items[i - head] = items[i];
                }
                head = 0;
                tail = tail - head;
            }
            //将数据加入队列
            items[tail++] = item;
            size++;
            return true;
        }

        //出队：1.队空时，出队失败;2.出队，head索引+1
        public String dequeue() {
            String res = null;
            if (head == tail) return res;
            res = items[head++];
            size--;
            return res;


        }
    }

3.链表实现（链式队列）

    public class LoopArrayQueue {
        //存储数据的数组
        private String[] items;
        //记录数组容量
        private int n;
        private int size = 0;
        //head记录队头索引，tail记录队尾索引
        private int head = 0;
        private int tail = 0;

        //申请一个指定容量的队列
        public LoopArrayQueue(int capacity) {
            items = new String[capacity];
            n = capacity;
        }

        //入队：关键在于队满的条件
        public boolean enqueue(String item) {
            if ((tail + 1) % n == head) return false;
            items[tail] = item;
            tail = (tail + 1) % n;
            size++;
            return true;
        }

        //出队：关键在于队空的条件
        public String dequeue() {
            String res = null;
            if (head == tail) return res;
            res = items[head];
            head = (head + 1) % n;
            size--;
            return res;
        }
    }

4.循环队列（基于数组）

    public class LinkedQueue {
        //定义一个节点类
        private class Node {
            String value;
            Node next;
        }

        //记录队列元素个数
        private int size = 0;
        //head指向队头结点，tail指向队尾节点
        private Node head;
        private Node tail;

        //申请一个队列
        public LinkedQueue() {
        }

        //入队
        public boolean enqueue(String item) {
            Node newNode = new Node();
            newNode.value = item;
            if (size == 0) head = newNode;
            else tail.next = newNode;
            tail = newNode;
            size++;
            return true;
        }

        //出队
        public String dequeue() {
            String res = null;
            if (size == 0) return res;
            if (size == 1) tail = null;
            res = head.value;
            head = head.next;
            size--;
            return res;
        }
   }

三、队列有哪些常见的应用？

1. 阻塞队列

• 在队列的基础上增加阻塞操作，就成了阻塞队列。
• 阻塞队列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，然后在返回。
• 从上面的定义可以看出这就是一个“生产者-消费者模型”。这种基于阻塞队列实现的“生产者-消费者模型”可以有效地协调生产和消费的速度。当“生产者”生产数据的速度过快，“消费者”来不及消费时，存储数据的队列很快就会满了，这时生产者就阻塞等待，直到“消费者”消费了数据，“生产者”才会被唤醒继续生产。不仅如此，基于阻塞队列，我们还可以通过协调“生产者”和“消费者”的个数，来提高数据处理效率，比如配置几个消费者，来应对一个生产者。

2. 并发队列

• 在多线程的情况下，会有多个线程同时操作队列，这时就会存在线程安全问题。能够有效解决线程安全问题的队列就称为并发队列。
• 并发队列简单的实现就是在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。

3. 线程池资源枯竭是的处理
   在资源有限的场景，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。

四、思考

1. 除了线程池这种池结构会用到队列排队请求，还有哪些类似线程池结构或者场景中会用到队列的排队请求呢？
2. 今天讲到并发队列，关于如何实现无锁的并发队列，网上有很多讨论。对这个问题，你怎么看？

五、队列的练习题

1. 顺序队列、链式队列、循环队列的实现
2. 队列与栈的区别
3. 队列的常见应用
4. 打印杨辉三角