数据结构—什么是队列

队列的基本概念

队列是一种很基本的数据结构,你可以把它想象成排队买票,先来的先买,后来的人只能站末 尾,不允许插队。先进者先出,这就是典型的“队列”

如图所示

截屏2019-11-06上午11.04.35

队列是一种操作受限的线性表数据结构,最基本的操作有两个: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。

各种队列

顺序队列和链式队列

队列可以用数组来实现,也可以用链表来实现,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

下面是我通过数组实现的一个简单的队列

public class ArrayQueue {
//    数组
    private String[] items;
    private int n = 0;
//    对头下标
    private int head = 0;
//    队尾下标
    private int tail = 0;

//    初始化队列的方法
    public ArrayQueue(int n){
        items = new String[n];
        this.n=n;
    }

//    入队方法
    public boolean inqueue(String item){
//        如果队尾等于容量 表示满了
        if (tail==n) {
            return false;
        }
        items[tail]=item;
        tail++;
        return true;
    }

//    出队方法
    public String dequeue(){
        if (head==tail) {
//            说明队列为null
            return null;
        }
        String item = items[head];
        head++;
        return item;
    }
}

通过对以上代码的分析,会发现这个代码有一些问题。

问题: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。这个问题该如何解决呢?

这个问题,可以使用数据搬移解决。但是,每次进行出 队操作都相当于删除数组下标为 0 的数据,要搬移整个队列中的数据,这样出队操作的时 间复杂度就会从原来的 O(1) 变为 O(n)。

实际上,我们在出队时可以不用搬移数据。如果没有空闲空间了,我们只需要在入队时,再 集中触发一次数据的搬移操作。借助这个思想,出队函数 dequeue() 保持不变,我们稍加 改造一下入队函数 enqueue() 的实现,就可以轻松解决刚才的问题了。下面是具体的代码:

// 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;
}

链表方式实现的代码暂时空缺。

循环队列

使用数组实现队列的时候,最终都需要使用数据搬运来解决下标问题,那么有没有办法即实现队列,又可以不用数据搬移呢?

使用循环队列,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 。

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我们可以看到,图中这个队列的大小为 8,当前 head=4,tail=7。当有一个新的元素 a 入 队时,我们放入下标为 7 的位置。但这个时候,我们并不把 tail 更新为 8,而是将其在环 中后移一位,到下标为 0 的位置。当再有一个元素 b 入队时,我们将 b 放入下标为 0 的位 置,然后 tail 加 1 更新为 1。所以,在 a,b 依次入队之后,循环队列中的元素就变成了下 面的样子:

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通过这样的方法,我们成功避免了数据搬移操作。看起来不难理解,但是循环队列的代码实 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,我个 人觉得,最关键的是,确定好队空和队满的判定条件。

在用数组实现的非循环队列中,队满的判断条件是 tail == n,队空的判断条件是 head == tail。那针对循环队列,如何判断队空和队满呢?

队列为空的判断条件仍然是 head == tail。但队列满的判断条件就稍微有点复杂了。我画 了一张队列满的图,你可以看一下,试着总结一下规律。

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就像我图中画的队满的情况,tail=3,head=4,n=8,所以总结一下规律就是: (3+1)%8=4。多画几张队满的图,你就会发现,当队满时,(tail+1)%n=head。

你有没有发现,当队列满时,图中的 tail 指向的位置实际上是没有存储数据的。所以,循 环队列会浪费一个数组的存储空间。

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;
    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];
    head = (head + 1) % n;
    return ret;
  }
}

阻塞队列

阻塞队列其实就是在队列基础上增加了阻塞操作。简单来说,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,然后再返回。

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你应该已经发现了,上述的定义就是一个“生产者 - 消费者模型”!是的,我们可以使用阻塞队列,轻松实现一个“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。这个时候,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”。

而且不仅如此,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,来提高数据的处理效率。比如前面的例子,我们可以多配置几个“消费者”,来应对一个“生产者”。

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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?

线程安全的队列我们叫作并发队列。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。

队列相关面试问题

当我们向固定大小的线程池中请求一个线程时,如果线程池中没有空闲资源了,这个时候线程池如何处理这个请求?是拒绝请求还是排队请求?各种处理策略又是怎么实现的呢?

我们一般有两种处理策略。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。那如何存储排队的请求呢?

我们希望公平地处理每个排队的请求,先进者先服务,所以队列这种数据结构很适合来存储排队请求。我们前面说过,队列有基于链表和基于数组这两种实现方式。这两种实现方式对于排队请求又有什么区别呢?

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。

除了前面讲到队列应用在线程池请求排队的场景之外,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。