算法与数据结构-队列

---

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。