Java数据结构及算法实战系列007：Java队列01——Queue概述

Posted 2022-09-06 _waylau

队列与栈类似，也是一种运算受限的线性表。队列则被限定在表尾进行插入、在表头进行删除，这种数据结构，实现了FIFO（First In First Out，先进先出）或者是LILO（Last In Last Out，后进后出）的方式工作。

下图很形象将队列比作是实现生活中的排队。排在队列前面的总是会最先得到处理，而排在队列后面的总是最后得到处理。

1.   队列的基本概念

在对队列有了基本的认识之后，我们再来看下队列的基本概念。

进行插入操作这一端被称为队尾（tail），相对地，把另一端称为队首（head）。向一个队列插入新元素又称作入队（enqueue）。它是把新元素放到队尾元素的之后，使之成为新的队尾元素。从一个队列中删除元素又称作出队（dequeue）。它是把队首元素删除掉，使其相邻的元素成为新的队首元素。

2.   Java对于队列的支持

在Java中，提供了java.util.Queue<E>接口以支持队列。根据实现不同，队列又可以分为以下几种场景。

2.1.     是否阻塞

阻塞是指当队列空时，消费资源是否阻塞；当队列（有界队列）满时，插入数据是否阻塞。

Java提供了java.util.concurrent.BlockingQueue<E>接口以表示阻塞队列。常见的阻塞队列有：

l  ArrayBlockingQueue

l  LinkedBlockingQueue

l  DelayQueue

l  PriorityBlockingQueue

l  SynchronousQueue

l  LinkedBlockingDeque

l  等等

2.2.     单端还是双端

单端还是双端，相比于单端队列，双端队列可以从队列的两头分别进行入队和出队操作。

Java提供了java.util.Deque<E>接口以表示双端队列。常见的双端队列有：

l  ArrayDeque

l  ConcurrentLinkedDeque

l  LinkedList

l  LinkedBlockingDeque

l  等等

2.3.     是否有界

判断一个队列是否有界的依据是，队列在初始化时是否设置了容量。以ArrayBlockingQueue为例，ArrayBlockingQueue在初始化时，强制要求以容量作为构造函数的参数之一，这便是有界的。LinkedList是无界的，队列的长度会随着入队的元素的增多而不断增长。

LinkedBlockingQueue比较特殊，在初始化时可以指定容量也可以不指定容量。当初始化LinkedBlockingQueue指定容量时，是有界队列；当初始化LinkedBlockingQueue未指定容量时，其内部会以Integer.MAX_VALUE值作为容量。当然，因为Integer.MAX_VALUE值非常大，近似无限大，因此LinkedBlockingQueue未指定容量时也可以近似认为是无界队列。

在实际项目中，推荐优先选择使用有界队列。因为无界队列可能产生OOM（Out Of Memory，内存溢出）问题，OOM对系统是致命的。

2.4.     内部数据结构

队列的内部数据结构对使用者而言应该是透明的，使用者关注内部数据结构。主要是关注数据结构对业务运行的影响。队列的内部数据结构有数组、链表、堆等，不同数据结构会影响GC、CPU缓存，大长时间运行后，使用链表会产生大量的碎片，对GC造成很大的压力；内存连续的空间，也更有利于CPU缓存的发挥。

根据存储结构的不同，队列还分为以下几种：

l  用顺序表实现的队列称为顺序队列

l  用链表实现的队列称为链队列

2.5.     是否无锁

加锁的开锁是巨大的，在高并发场景下，无锁的性能一般有锁的数倍。

2.6.     其他特殊功能

有很多队列都有特殊的功能，来满足特殊的场景。如SynchronousQueue没有缓存用于handoff场景(下文介绍)；PriorityQueue、PriorityBlockingQueue支持按优先级入队；DelayedQueue支持延时出队；Disruptor除具有超强的性能外，还支持多消费者复杂的消费模式。

基于上面的场景，整理了下表最常用的10个队列的实现。

表1-1 最常用的10个队列的实现

                                                                                                                                                                                                                                                                                                

队列	是否阻塞	单端还是双端	是否有界	内部数据结构	是否无锁	特殊功能
ArrayBlockingQueue	阻塞	单端	是	数组	有锁	NA
LinkedBlockingQueue	阻塞	单端	是	链表	有锁	NA
SynchronousQueue	阻塞	单端	否	单一元素	有锁	支持HandOff功能；
LinkedTransferQueue	阻塞	单端	否	链表	有锁	功能为LinkedBlockingQueue与SynchronousQueue的超集；
PriorityBlockingQueue	阻塞	单端	否	堆	有锁	支持优先级队列；
DelayQueue	阻塞	单端	否	堆	有锁	支持延时出队；
LinkedBlockingDeuqe	阻塞	双端	否	链表	有锁	NA
ConcurrentLinkedQueue	非阻塞	单端	否	链表	有锁	NA
ConcurrentLinkedDeque	非阻塞	双端	否	链表	有锁	NA
Disruptor	阻塞	单端	是	环形数组	无锁	超强性能，支持多种生产者消费者模式；

参考引用

• 本系列归档至《Java数据结构及算法实战》：https://github.com/waylau/java-data-structures-and-algorithms-in-action
• 《数据结构和算法基础（Java语言实现）》（柳伟卫著，北京大学出版社出版）：https://item.jd.com/13014179.html