[数据结构与算法]何为"队列"
Posted 游标码农
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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[数据结构与算法]何为"队列"相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
何为“队列”
先进者先出，就是典型的“队列”，例如买票。
最基本的两个操作即：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。
队列跟栈一样，也是一种操作受限的线性表数据结构。
队列的应用十分广泛：如循环队列、阻塞队列、并发队列。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。
顺序队列和链式队列
跟栈一样，队列可以用数组来实现，也可以用链表来实现。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。
队列的数组实现，对于栈来说，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。
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，即使数组中还有空闲空间，也无法继续往队列中添加数据了。如何解决该问题呢？
即利用数据搬移操作—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 tail-head 的位置。
循环队列
利用数组来实现队列的时，当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。因此可以采用循环队列，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。
循环队列的代码实现难度要比前面讲的非循环队列难多了。要想写出没有 bug 的循环队列的实现代码，最关键的是，确定好队空和队满的判定条件。
如何判断队空和队满呢？
数组实现的非循环队列：队满的判断条件是 tail == n，队空的判断条件是 head == tail。
循环队列：队满的判断条件是(tail+1)%n=head，队空的判断条件是 head == tail。
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了阻塞操作。
即在队列为空的时候，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。
其实就是一个“生产者 - 消费者模型”
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？
线程安全的队列为并发队列。
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。
应用：线程池没有空闲线程时，新的任务请求线程资源时，线程池该如何处理？
第一种是非阻塞的处理方式，直接拒绝任务请求；另一种是阻塞的处理方式，将请求排队，等到有空闲线程时，取出排队的请求继续处理。
如何存储排队的请求呢？
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。不过，设置一个合理的队列大小，也是非常有讲究的。队列太大导致等待的请求太多，队列太小会导致无法充分利用系统资源、发挥最大性能。
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。
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。
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