数据结构之队列

队列的定义

队列(queue)是一种线性表数据结构，具有先进先出、后进后出的特点。

通俗的讲，队列有点像排队买票，先来的先买，后来的人只能站末尾，而且不允许插队。

队列的使用

队列和栈类似，都是“操作受限”的线性表，而且只有两个基本操作：入队enqueue()，放一个数据到队列的尾部；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，起到了关键性的作用。比如高性能队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。

实际上，对于大部分资源有限的场景，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。

队列的实现

跟栈一样，队列可以用数组实现，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。

下面是基于Java数组实现的顺序队列。

//用数组实现的队列
public class ArrayQueue(){
  //数组:items,数组大小:n
  private String[] items;
  private int n=0;
  //head表示队头下标，tail表示队尾下标
  private int head=0;
  private int tail=0;
  
  //申请一个大小为capacity的数组
  public ArrayQueue(int capacity){
    items= new String[capacity];
    n=capacity;
  }
  
  //入队
  public boolean enqueue(String item){
    //tail==n 表示队列已经满了
    if(tail==n){
      return false;
    }
    items[tail]=item;
    ++tail;
    return true;
  }
  
  //出队
  public String dequeue(){
    //head==tail 表示队列已经为空
    if(head==tail){
      return false;
    }
    String item=items[head];
    ++head;
    return items;
  }
}

比起栈的数组实现，队列的数组实现稍微有点复杂，但是没关系。我稍微解释一下实现思路，你就容易就能明白了。

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。

你可以结合下面的图来理解。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？

入队的优化

在数组中也会遇到类似的问题，比如数组的删除操作会导致数组中的数据不连续。这个时候我们会选择用数据迁移的方法来解决问题！但是，在队列中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)变成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){
      retun false;
    }
    //数据迁移
    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;
}

从代码中我们看到，当对列的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。

循环队列

我们刚才用数组来实现对列的时候，在tail==n时，会有数据搬移操作，这样入队操作性能就会受到影响。那有没有办法能过避免数据搬移呢？我们来看看循环队列的解决思路。

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。现在我们把首位相连，扳成了一个环。如图。

 

我们可以看到，图中这个队列的大小为8，当前head=4，tail=7。当有一个新的元素a入队时，我们放入下标为7的位置。但这个时候，我们并不把tail更新为8，而是将其在环中后移一位，到下标为0的位置。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加1更新为1。所以，在a，b依次入队之后，循环队列中的元素就变成了下面的样子：

通过这样的方法，我们成功避免了数据搬移操作。看起来不难理解，但是循环队列的代码实现难度要比非循环队列难多了。一定要确定好队空和队满的判断条件。

在数组实现的非循环队列中，队满的判断条件是tail==n，队空的判断条件是head==tail。那针对循环队列，如何判断队空和队满呢？

队列为空的判断条件仍然是head==tail。但队列满的判断条件就有点稍微复杂了。你可以看一下下面的图，试着总结一下规律。

 

图中tail=3，head=4，n=8，所以总结一下规律是：(3+1)%8=4。多画几张队列满的图，你就会发现，当队满时，(tail+1)%n=head。

你有没有发现，当队列满时，图中的tail指向的位置实际上是没有存储数据的。所以，循环队列会浪费一个数组的存储空间。

public class CircularQueue{
  //数组：items，数组大小：n
  private String[] items;
  private int n=0;
  //head表示队头下标，tail表示队尾下标
  private int head=0；
  private int tail=0;
  //申请一个大小为capacity的数组
  public CircularQueue(int capcacity){
    items=new String[capacity];
    n=capacity;
  }
  //入队
  public boolean enqueue(String item){
    //队列满了
    if((tail+1)%n==head){
      return false;
    }
    items[tail]=item;
    tail=(tail+1)%n;
    return true;
  }
  //出队
  public boolean dequeue(){
    //如果head==tail表示队列为空
    if(head==tail){
      return null;
    }
    String ret=items[head];
    head=(head+1)%n
    return ret;
  }
}

阻塞队列和并发队列

前面讲的内容理论比较多，看起来很难跟实际的项目开发扯上关系。确实，队列这种数据结构结构很基础，平时的业务开发不大可能从零实现一个队列，甚至都不会直接用到。而一些具有特殊性质的队列应用却比较广泛，比如阻塞队列和并发队列。

阻塞队列其实就是在队列基础上增加阻塞操作。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，知道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。

你应该已经发现了，上述的定义就是一个“生产者-消费者模型”！是的，我们可以使用阻塞队列，轻松实现一个“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。这个时候，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”。

而且不仅如此，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，来提高数据的处理效率。比如前面的例子，我们可以多配置几个“消费者”，来对应一个“生产者”。

前面我们讲了阻塞队列，在多线程情况下，会有多个线程同时操作队列，这个时候就会存在线程安全问题，那如何实现一个线程安全的队列呢？

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。

学习了王争老师的《数据结构与算法之美》，根据课程内容整理的笔记