表面简单实则暗藏玄机的面试题：Java数组适合做队列吗？

Java数组本身是一种线性数据结构，它可以用来存储一系列固定大小的元素。尽管数组可以用于实现队列的一些基本操作，比如入队（enqueue）和出队（dequeue），但由于其固定的大小，它并不适合直接作为通用的队列使用。

队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，它允许你在队列的一端添加元素，在另一端移除元素。由于数组的长度是固定的，一旦数组满了，你就不能继续添加新的元素，除非你创建一个新的更大的数组并将现有元素复制过去。这种操作在队列频繁入队和出队时效率很低。

Java提供了Queue接口和实现了该接口的一些类，如LinkedList和PriorityQueue，这些都是更适合实现队列的数据结构。LinkedList可以在两端高效地添加和删除元素，而PriorityQueue则可以按照元素的自然顺序或者自定义的比较器来排序元素。

如果你需要一个简单的队列，并且知道队列的大小是固定的，那么数组可能是一个选项。但在大多数实际应用场景中，使用LinkedList或PriorityQueue会是更好的选择，因为它们提供了更多的灵活性和高效的动态调整能力。

假设我们有一个业务场景，需要处理一系列客户服务请求，这些请求按照紧急程度（优先级）进行排序。紧急程度高的请求需要优先处理。我们可以使用PriorityQueue来存储这些请求，并根据请求的紧急程度进行排序。同时，我们还可以使用LinkedList来记录请求的处理顺序，确保请求按照先进先出的原则被处理。

下面是一个简单的示例代码

import java.util.LinkedList;
import java.util.PriorityQueue;
import java.util.Comparator;// 客户服务请求类
class CustomerRequest {private String requestId;private int priority; // 优先级，数值越小优先级越高public CustomerRequest(String requestId, int priority) {this.requestId = requestId;this.priority = priority;}public String getRequestId() {return requestId;}public int getPriority() {return priority;}@Overridepublic String toString() {return "Request [id=" + requestId + ", priority=" + priority + "]";}
}// 比较器，用于确定优先级顺序
class RequestComparator implements Comparator<CustomerRequest> {@Overridepublic int compare(CustomerRequest r1, CustomerRequest r2) {return Integer.compare(r1.getPriority(), r2.getPriority());}
}public class CustomerServiceQueue {private PriorityQueue<CustomerRequest> priorityQueue;private LinkedList<CustomerRequest> processingQueue;public CustomerServiceQueue() {// 初始化优先队列，使用自定义的比较器priorityQueue = new PriorityQueue<>(new RequestComparator());processingQueue = new LinkedList<>();}// 添加请求到优先队列public void addRequest(CustomerRequest request) {priorityQueue.add(request);processingQueue.add(request); // 同时添加到处理队列}// 处理请求public void processRequests() {while (!priorityQueue.isEmpty()) {// 从优先队列中获取最高优先级的请求CustomerRequest request = priorityQueue.poll();// 处理请求handleRequest(request);}}// 处理单个请求的方法private void handleRequest(CustomerRequest request) {System.out.println("Processing request: " + request);// 这里可以添加实际处理请求的代码}public static void main(String[] args) {CustomerServiceQueue serviceQueue = new CustomerServiceQueue();// 添加一些请求serviceQueue.addRequest(new CustomerRequest("1", 3));serviceQueue.addRequest(new CustomerRequest("2", 1));serviceQueue.addRequest(new CustomerRequest("3", 2));// 处理请求serviceQueue.processRequests();}
}

在这个例子中，我们创建了一个CustomerRequest类来表示客户服务请求，每个请求都有一个唯一的requestId和一个表示紧急程度的priority。我们定义了一个RequestComparator比较器来告诉PriorityQueue如何根据优先级来排序请求。

在CustomerServiceQueue类中，我们维护了一个PriorityQueue来存储按优先级排序的请求，以及一个LinkedList来记录请求的处理顺序。当我们添加请求时，我们同时将请求添加到两个队列中。处理请求时，我们从PriorityQueue中取出最高优先级的请求，并调用handleRequest方法来处理它。

在main方法中，我们创建了一个CustomerServiceQueue实例，添加了一些请求，并调用了processRequests方法来处理它们。这样，请求将按照优先级顺序进行处理，同时保持了它们进入队列的原始顺序。

V哥说了，剧情该反转了！

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue 是 Java 中的一个线程安全的阻塞队列实现，它内部使用一个固定大小的数组来存储元素。其实现原理基于循环数组（通常称为“环形缓冲区”或“循环缓冲区”），并使用两个指针（takeIndex 和 putIndex）来分别追踪队列的头和尾。

实现原理：

循环数组：ArrayBlockingQueue 使用一个循环数组来存储元素。这意味着数组的末尾与开头是相邻的，当指针移动到数组末尾时，它会“环绕”回到数组的开始。
两个指针：ArrayBlockingQueue 使用两个指针来追踪队列的头和尾。takeIndex 指向下一个被取出的元素，而 putIndex 指向下一个被插入的元素。
锁和条件变量：为了实现线程安全，ArrayBlockingQueue 使用一个单一的锁（ReentrantLock）来控制同时只有一个线程可以进行入队或出队操作。同时，它还使用了两个条件变量（notEmpty 和 notFull），分别用于在队列为空或已满时挂起线程。
阻塞操作：当队列为空时，出队操作（take）的线程会被挂起，直到队列中有新的元素被插入；当队列已满时，入队操作（put）的线程会被挂起，直到队列中有空间可用。

应用场景：

ArrayBlockingQueue 由于其线程安全和阻塞特性，适用于以下场景：

生产者-消费者模式：这是最典型的应用场景，多个生产者线程向队列中添加元素，多个消费者线程从队列中取出元素。
工作队列：在多线程环境中，ArrayBlockingQueue 可以用作一个工作队列，线程池中的线程从队列中获取任务进行处理。
有限资源的管理：当需要管理有限数量的资源时，如数据库连接池，ArrayBlockingQueue 可以确保资源的使用不超过限制。
消息传递：在消息传递系统中，ArrayBlockingQueue 可以用作消息队列，确保消息的顺序性和可靠性。

示例代码：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;public class ArrayBlockingQueueExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个有界队列，容量为10BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);// 生产者线程new Thread(() -> {try {for (int i = 0; i < 20; i++) {queue.put(i);System.out.println("Produced: " + i);}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}).start();// 消费者线程new Thread(() -> {try {for (int i = 0; i < 20; i++) {int value = queue.take();System.out.println("Consumed: " + value);}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}).start();}
}

在这个示例中，我们创建了一个容量为10的 ArrayBlockingQueue。两个线程分别模拟生产者和消费者。生产者尝试向队列中添加20个元素，而消费者则尝试从队列中取出20个元素。由于队列容量有限，生产者在队列满时会阻塞，直到消费者取出元素释放空间。同样，消费者在队列空时会阻塞，直到生产者添加新元素。