Java Collection之Queue具体解释及用途

Posted 2020-09-12 gavanwanggw

Queue是一种常见的数据结构，其主要特征在于FIFO（先进先出），Java中的Queue是这样定义的：

public interface Queue<E> extends Collection<E> {
    E element();
    boolean offer(E o);
    E peek();
    E poll();
    E remove();
}

尽管Queue都具有FIFO的特点。但详细输出哪一个元素，Queue的各种实现是不同的，尤其是在排序的情况下，新输入的元素并不是放入队列尾部，而是放在适当的位置。Queue的每一种实现都必须指定排序属性（ordering properties）。

Queue可能对存放的元素数目有所限制。

这种Queue成为“有界的”（bounded），在Java.util.concurrent中的某些Queue实现是有界的，而java.util中的Queue实现不是有界的。

Queue的每一个操作都有两种方法：

Queue Interface Structure

	Throws exception	Returns special value
Insert	add(e)	offer(e)
Remove	remove()	poll()
Examine	element()	peek()

add方法继承自Collection。当Queue的元素已经到达限制数目时，add会抛出一个IllegalStateException异常；offer方法只定位于应用在有界Queue的情况下。当Queue已经装满时，offer会返回false。

remove和poll方法都删除并返回Queue中的头元素（注意，并非插入的第一个元素，由于有的Queue实现是排序的）。

当Queue为空时，remove抛出NoSuchElementException异常，而poll返回null。

element和peek返回但不删除Queue中的头元素，它们的差别类似remove与poll。

Queue的实现一般并不容许插入null，仅仅有LinkedList是一个意外，它容许插入null，但使用者必须注意。不要与poll和peek方法返回的null值混淆。

Queue的实现一般并不定义基于元素的equals和hashCode方法，而是调用继承自Object的相应方法。

Queue接口并未定义并行程序中经常使用的堵塞方法，也就是说，元素进入Queue之前不必检查Queue中是否有足够的空间，只是作为Queue扩展的java.util.concurrent.BlockingQueue接口定义了这些方法。

普通的LinkedList实现并未定义特殊的排序算法，所以输出元素时会依照插入的顺序：

import java.util.*;
public class Countdown {
    public static void main(String[] args)
            throws InterruptedException {
        int time = 10;
        Queue<Integer> queue = new LinkedList<Integer>();
        for (int i = time; i >= 0; i--)
            queue.add(i);
        while(!queue.isEmpty()) {
            System.out.println(queue.remove());
            Thread.sleep(1000);
        }
    }
}

程序的输出结果为：
10
9
8
…..

假设作一点小更改，採用PriorityQueue

import java.util.*;
public class Countdown {
    public static void main(String[] args)
            throws InterruptedException {
        int time = 10;
        Queue<Integer> queue = new LinkedList<Integer>();
        Queue<Integer> pQueue = new PriorityQueue<Integer>();
        for (int i = time; i >= 0; i--)
            queue.add(i);
        while(!queue.isEmpty()) {
            pQueue.add(queue.remove());           
        }
        while(!pQueue.isEmpty()) {
            System.out.println(pQueue.remove());           
        }
    }
}

则输出结果为：
0
1
2
……

查阅文档可知。PriorityQueue的内部是一个min heap。实际上，观察PriorityQueue的输出也能够发现这一点：

        int time = 10;
        Queue<Integer> queue = new LinkedList<Integer>();
        Queue<Integer> pQueue = new PriorityQueue<Integer>();
        for (int i = time; i >= 0; i--)
            queue.add(i);
        while(!queue.isEmpty()) {
            pQueue.add(queue.remove());           
        }

        System.out.println(pQueue);
        pQueue.remove();
        System.out.println(pQueue);

输出结果为
[0,1,5,4,2,9,6,10,7,8,3]
[1,2,5,4,3,9,6,10,7,8]

实际上就是两个min-heap依照从上至下，从左至右的输出。