队列 Queue

Posted 2022-12-18 zhengzc

队列：

1.先进先出，后进后出；

2.支持入队Enqueue（将数据放到队尾）和出队Dequeue（取出队头数据）操作；

3.和栈一样属于操作受限的线性表；

如何实现队列？

1.数组实现（顺序队列）

    public class ArrayQueue
    
        private string[] items;
        private int capacity;
        private int head = 0;
        private int tail = 0;

        // 申请数组大小
        public ArrayQueue(int capacity)
        
            items = new string[capacity];
            this.capacity = capacity;
        

        public bool Enqueue(string item)
        
            // 队列末尾没有空间
            if (tail == capacity)
            
                // 数组满了
                if (head == 0) return false;

                // 数据搬移
                for (int i = head; i < tail; i++)
                
                    items[i - head] = items[i];
                

                // 搬移完成重新更新tail跟head
                tail -= head;
                head = 0;
            

            items[tail] = item;
            tail++;
            return true;
        

        public string Dequeue()
        
            // 队列为空
            if (head == tail) return null;
            string value = items[head];
            head++;
            return value;
        
    

2.链表实现（链式队列）

    public class QueueLinkList<T>
    
        private StackListNode<T> _head;
        private StackListNode<T> _tail;
        
        public void Enqueue(T val)
        
            if(_tail==null)
            
                StackListNode<T> newNode = new StackListNode<T>(val);
                _tail = newNode;
                _head = newNode;
            
            else
            
                _tail.Next = new StackListNode<T>(val);
                _tail = _tail.Next;
            
        

        public T Dequeue()
        
            if (_head == null) return default(T);

            T value = _tail.Value;
            _head = _head.Next;

            if (_head == null)
                _tail = null;

            return value;
        
    

    public class StackListNode<T>
    
        public StackListNode(T nodeValue)
        
            Value = nodeValue;
        

        public T Value  get; set; 
        public StackListNode<T> Next  get; set; 
    

3.循环队列

    // 数组实现队列会有数据搬移操作，可以通过循环队列的方式解决数据偏移，但是循环队列会浪费数组一个存储空间
    // 循环队列最关键是需要确定好队列为空以及队列满的判定条件 
    // 队满：(tail+1)%n==head  队空：tail==head
    public class CircularQueue
    
        private string[] items;
        private int capacity;
        private int head = 0; // 列头
        private int tail = 0; // 列尾

        public CircularQueue(int capacity)
        
            items = new string[capacity];
            this.capacity = capacity;
        

        public bool Enqueue(string item)
        
            // 队列满了
            if ((tail + 1) % capacity == head) return false;
            items[tail] = item;
            tail = (tail + 1) % capacity;
            return true;
        

        public string Dequeue()
        
            // 队列为空
            if (tail == head) return null;
            string value = items[head];
            head = (head + 1) % capacity;
            return value;
        
    

 

队列的常见应用：

1.阻塞队列
1）在队列的基础上增加阻塞操作，就成了阻塞队列。
2）阻塞队列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，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，然后在返回。
3）从上面的定义可以看出这就是一个“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，这时生产者就阻塞等待，直到“消费者”消费了数据，“生产者”才会被唤醒继续生产。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，来提高数据处理效率，比如配置几个消费者，来应对一个生产者。

2.并发队列
1）在多线程的情况下，会有多个线程同时操作队列，这时就会存在线程安全问题。能够有效解决线程安全问题的队列就称为并发队列。
2）并发队列简单的实现就是在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取操作。
3）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。

3.线程池资源枯竭是的处理
在资源有限的场景，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。