Java 中的队列 Queue

时间：2021-06-27 17:37:30

一、队列的定义

我们都知道队列(Queue)是一种先进先出(FIFO)的数据结构，Java中定义了java.util.Queue接口用来表示队列。Java中的Queue与List、Set属于同一个级别接口，它们都是继承于Collection接口。

Java中还定义了一种双端队列java.util.Deque，我们常用的LinkedList就是实现了Deque接口。

下面我们看一下类的定义：

Queue & Deque
public interface Queue<E> extends Collection<E> {
    
    boolean add(E e);

    boolean offer(E e);

    E remove();

    E poll();

    E element();

    E peek();
}
public interface Deque<E> extends Queue<E> {

    void addFirst(E e);

    void addLast(E e);

    boolean offerFirst(E e);

    boolean offerLast(E e);

    E removeFirst();

    E removeLast();

    E pollFirst();

    E pollLast();

    E getFirst();

    E getLast();

    E peekFirst();

    E peekLast();

    boolean removeFirstOccurrence(Object o);

    boolean removeLastOccurrence(Object o);

    // *** Queue methods ***

    boolean add(E e);

    boolean offer(E e);

    E remove();

    E poll();

    E element();

    E peek();

    // *** Stack methods ***

    void push(E e);

    E pop();
    
    // *** Collection methods ***
    
    boolean remove(Object o);

    boolean contains(Object o);

    public int size();

    Iterator<E> iterator();

    Iterator<E> descendingIterator();

}

二、队列的实现

Java中对于队列的实现分为非阻塞和阻塞两种。

$ 非阻塞队列分为如下：

  • LinkedList

LinkedList是双相链表结构，在添加和删除元素时具有比ArrayList更好的性能。但在 Get 与 Set 方面弱于ArrayList。当然，这些对比都是指数据量很大或者操作很频繁的情况下的对比。

  • PriorityQueue

PriorityQueue维护了一个有序列表，存储到队列中的元素会按照自然顺序排列。当然，我们也可以给它指定一个实现了 java.util.Comparator 接口的排序类来指定元素排列的顺序。

  • ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue 是基于链接节点的并且线程安全的队列。因为它在队列的尾部添加元素并从头部删除它们，所以只要不需要知道队列的大小 ConcurrentLinkedQueue 对公共集合的共享访问就可以工作得很好。收集关于队列大小的信息会很慢，需要遍历队列。

$ 阻塞队列分为如下：

阻塞队列定义在了java.util.concurrent包中，java.util.concurrent.BlockingQueue 继承了Queue接口，它有 5 个实现类，分别是：

  • ArrayBlockingQueue 

一个内部由数组支持的有界队列。初始化时必须指定队列的容量，还可以设置内部的ReentrantLock是否使用公平锁。但是公平性会使你在性能上付出代价，只有在的确非常需要的时候再使用它。它是基于数组的阻塞循环队列，此队列按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。

它的思想就是如果BlockQueue是空的，那么从BlockingQueue取东西的操作将会被阻断进入等待状态，直到BlockingQueue进了东西才会被唤醒。同样,如果BlockingQueue是满的，任何试图往里存东西的操作也会被阻断进入等待状态，直到BlockingQueue里有空间才会被唤醒继续操作。

  • LinkedBlockingQueue 

一个内部由链接节点支持的可选有界队列。初始化时不需要指定队列的容量，默认是Integer.MAX_VALUE，也可以看成容量无限大。此队列按 FIFO（先进先出）排序元素 。

  • PriorityBlockingQueue 

一个内部由优先级堆支持的*优先级队列。PriorityBlockingQueue是对 PriorityQueue的再次包装，队列中的元素按优先级顺序被移除。

  • DelayQueue 

一个内部由优先级堆支持的、基于时间的调度队列。队列中存放Delayed元素，只有在延迟期满后才能从队列中提取元素。当一个元素的getDelay()方法返回值小于等于0时才能从队列中poll中元素，否则poll()方法会返回null。　　

  • SynchronousQueue 

一个利用 BlockingQueue 接口的简单聚集（rendezvous）机制。

下面简单介绍一下其中常用的方法：

  • add         增加一个元索                      如果队列已满，则抛出一个IIIegaISlabEepeplian异常 　　
  • remove   移除并返回队列头部的元素    如果队列为空，则抛出一个NoSuchElementException异常 　　
  • element  返回队列头部的元素              如果队列为空，则抛出一个NoSuchElementException异常 　　
  • offer        添加一个元素并返回true        如果队列已满，则返回false 　　
  • poll          移除并返问队列头部的元素    如果队列为空，则返回null 　　
  • peek        返回队列头部的元素              如果队列为空，则返回null 　　
  • put          添加一个元素                       如果队列满，则阻塞 　　
  • take         移除并返回队列头部的元素   如果队列为空，则阻塞

三、示例

package com.ysc.thread;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

public class BlockingQueueTest {
    
    public static void main(String[] args) {
        final BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(3);
        for(int i=0;i<2;i++){
            new Thread(){
                public void run(){
                    while(true){
                        try {
                            Thread.sleep((long)(Math.random()*1000));
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备放数据!");                            
                            queue.put(1);
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已经放了数据，" +
                                        "队列目前有" + queue.size() + "个数据");
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            }.start();
        }
        
        new Thread(){
            public void run(){
                while(true){
                    try {
                        //将此处的睡眠时间分别改为100和1000，观察运行结果
                        Thread.sleep(1000);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备取数据!");
                        queue.take();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已经取走数据，" +
                                "队列目前有" + queue.size() + "个数据");                    
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }.start();            
    }
}
package com.ysc.thread;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class BlockingQueueCondition {

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService service = Executors.newSingleThreadExecutor();
        final Business business = new Business();
        service.execute(new Runnable(){
            @Override
            public void run() {
                for(int i=0;i<50;i++){
                    business.sub();
                }
            }
        });
        
        for(int i=0;i<50;i++){
            business.main();
        }
    }

}

class Business {
    BlockingQueue subQueue = new ArrayBlockingQueue(1);
    BlockingQueue mainQueue = new ArrayBlockingQueue(1);
    //这里是匿名构造方法，只要new一个对象都会调用这个匿名构造方法，它与静态块不同，静态块只会执行一次，
    //在类第一次加载到JVM的时候执行
    //这里主要是让main线程首先put一个，就有东西可以取，如果不加这个匿名构造方法put一个的话程序就死锁了
    {
        try {
            mainQueue.put(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public void sub(){
        try {
            mainQueue.take();
            for(int i=0;i<10;i++){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
            }
            subQueue.put(1);
        } catch (Exception e){
        }
    }
    
    public void main() {
        try {
            subQueue.take();
            for(int i=0;i<5;i++){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
            }
            mainQueue.put(1);
        } catch (Exception e){
        }        
    }
}
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