基础篇7 # 队列：队列在线程池等有限资源池中的应用
Posted 凯小默
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了基础篇7 # 队列：队列在线程池等有限资源池中的应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
说明
【数据结构与算法之美】专栏学习笔记
什么是队列？
队列是一种操作受限的线性表数据结构，特点是先进先出，最基本的操作有：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。
顺序队列和链式队列
- 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
基于数组的队列实现方法
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。
用 Java 语言实现：
// 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) return false;
// 数据搬移
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;
// 出队
public String dequeue()
// 如果head == tail 表示队列为空
if (head == tail) return null;
// 为了让其他语言的同学看的更加明确，把--操作放到单独一行来写了
String ret = items[head];
++head;
return ret;
当 tail 移动到最右边，即使数组中还有空闲空间，也无法继续往队列中添加数据，针对这种情况，只需要在入队时，再集中触发一次数据的搬移操作。示意图如下：
基于链表的队列实现方法
- 入队时：
tail->next= new_node；tail = tail->next - 出队时：
head = head->next
入队出队示意图：
/**
* 基于链表实现的队列。
*
* Author: nameczz
*/
class Node
constructor(element)
this.element = element
this.next = null
export class QueueBasedOnLinkedList
constructor()
this.head = null
this.tail = null
enqueue(value)
if (this.head === null)
this.head = new Node(value)
this.tail = this.head
else
this.tail.next = new Node(value)
this.tail = this.tail.next
dequeue()
if (this.head !== null)
const value = this.head.element
this.head = this.head.next
return value
else
return -1
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8" />
<meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge" />
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" />
<title>07.基于链表实现的队列</title>
</head>
<body>
<script type="module">
import QueueBasedOnLinkedList from './js/07/QueueBasedOnLinkedList.js';
const newQueue = new QueueBasedOnLinkedList();
// 元素入队
newQueue.enqueue(1);
newQueue.enqueue(2);
newQueue.enqueue(3);
console.log('入队--->', newQueue);
// 获取元素
let res = 0;
console.log("-------获取dequeue元素------");
while (res !== -1)
res = newQueue.dequeue();
console.log(res);
</script>
</body>
</html>
循环队列
循环队列就是普通队列首尾相连形成了一个环。
比如：下面队列的大小为 8，当前 head=4，tail=7。
当有一个新的元素 a 入队时，放入下标为 7 的位置。将 tail 更新为 0 ，而不是 8。
如何判断循环队列队空和队满呢?
- 队空：队列为空的判断条件是
head == tail - 队满：当队满时，
(tail + 1)%n = head
基于数组的循环队列实现方式
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 capacity)
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;
// 取余运算保证，数组队列的循环插入效果
tail = (tail + 1) % n;
return true;
// 出队
public String dequeue()
// 如果head == tail 表示队列为空
if (head == tail) return null;
String ret = items[head];
// 因为要保持一个环状，必须通过取余运算才能得到保障！
head = (head + 1) % n;
return ret;
基于链表实现的循环队列
/**
* 基于链表实现的循环队列。
*
* Author: nameczz
*/
class Node
constructor(element)
this.element = element
this.next = null
export class CircularQueue
constructor()
this.head = null
this.tail = null
// 入队
enqueue(value)
if (this.head === null)
this.head = new Node(value)
this.head.next = this.head
this.tail = this.head
else
const flag = this.head === this.tail
this.tail.next = new Node(value)
this.tail.next.next = this.head
this.tail = this.tail.next
if (flag)
this.head.next = this.tail
// 出队
dequeue()
if(this.head == null) return -1
if (this.head === this.tail)
const value = this.head.element
this.head = null
return value
else
const value = this.head.element
this.head = this.head.next
this.tail.next = this.head
return value
display()
let res = 0
console.log('-------获取dequeue元素------')
while (res !== -1)
res = this.dequeue()
console.log(res)
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8" />
<meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge" />
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" />
<title>07.基于链表实现的循环队列</title>
</head>
<body>
<script type="module">
import CircularQueue from "./js/07/CircularQueue.js";
const newCircularQueue = new CircularQueue();
// 插入元素
newCircularQueue.enqueue(1);
newCircularQueue.enqueue(2);
newCircularQueue.enqueue(3);
console.log(newCircularQueue);
// 获取元素
newCircularQueue.display();
newCircularQueue.enqueue(1);
newCircularQueue.display();
</script>
</body>
</html>
阻塞队列
阻塞队列就是在队列基础上增加了阻塞操作。
- 在队列为空的时候，从队头取数据会被阻塞。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
可以使用阻塞队列实现一个生产者 - 消费者模型，有效地协调生产和消费的速度。
如何实现一个线程安全的队列呢？
线程安全的队列叫作并发队列。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，最简单的解决方式就是直接在 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。
如何实现一个高效的并发队列：
- 基于数组的循环队列：避免数据搬移
- CAS原子操作：避免真正的去OS底层申请锁资源
队列的应用
基于链表的实现方式，可以实现一个支持无限排队的无界队列（unbounded queue），但是可能会导致过多的请求排队等待，请求处理的响应时间过长。所以，针对响应时间比较敏感的系统，基于链表实现的无限排队的线程池是不合适的。而基于数组实现的有界队列（bounded queue），队列的大小有限，所以线程池中排队的请求超过队列大小时，接下来的请求就会被拒绝，这种方式对响应时间敏感的系统来说，就相对更加合理。
队列可以应用在任何有限资源池中，用于排队请求，比如数据库连接池等。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。
以上是关于基础篇7 # 队列：队列在线程池等有限资源池中的应用的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
线程池中阻塞队列的作用？为什么是先添加列队而不是先创建最大线程？