Java 数据结构 - 队列

我们今天要讲的数据结构是队列，比如 Java 线程池任务就是队列实现的。

1. 什么是队列

和栈一样，队列也是一种操作受限的线性结构。使用队列时，在一端插入元素，而在另一端删除元素。

1.1 队列的主要特性

队列中的数据元素遵守 "先进先出"(First In First Out)的原则，简称 FIFO 结构。

限定只能在队列一端插入，而在另一端进行删除操作。

1.2 队列的相关概念

入队(enqueue)：队列的插入操作。

出队(dequeue)：队列的删除操作。

2. 复杂度分析

和栈一样，队列也有两种实现方案，我们简单分析一下这两种队列的复杂度：

动态队列(链表)：也叫链式队列。其插入、删除时间复杂度都是 O(1)。

静态队列(数组)：也叫顺序队列。当队列队尾指针移到最后时，此时有两种操作：一是进行简单的数据搬移，二是进行队列循环。

关于队列的实现，我们只实现如下的基本操作。

public interface Queue {

Queue enqueue(Object obj); // 入队

Object dequeue(); // 出队

int size(); // 元素个数

}

2.1 链式队列

链式队列的实现非常简单，其插入和删除的时间复杂度都是 O(1)。为了简化代码的实现，我们引入哨兵结点。如下图所示，head 头结点是哨兵结点，不保存任何数据，从 head.next 开始保存数据，tail 结点指向最后一个元素结点。链表队列头结点和尾结点说明：

头结点：head 结点为哨兵结点，不保存任何数据，数据从第二个结点开始。

尾结点：tail 结点指向最后一个数据结点。

根据上图，我们可以轻松实现一个链表组成的队列，代码也很简单。

public class LinkedQueue implements Queue {

private Node head;

private Node tail;

private int size;

public LinkedQueue() {

head = new Node(null, null);

tail = head;

}

@Override

public Queue enqueue(Object obj) {

tail.next = new Node(obj, null);

tail = tail.next;

size++;

return this;

}

@Override

public Object dequeue() {

Node next = head.next;

if (next == null) {

return null;

}

head = head.next;

size--;

return next.item;

}

@Override

public int size() {

return size;

}

public static class Node {

private Object item;

private Node next;

public Node(Object item, Node next) {

this.item = item;

this.next = next;

}

}

}

2.2 顺序队列

如果是数组实现的队列，则比链表要复杂一些，当尾结点指向数组的最后一个位置时，没有剩余的空间存放数据时，此时该如何处理？通过我们有两种解决方案：

数据搬移：将 head ~ tail 结点的数据搬移到从 0 结点开始。

循环队列：tail 结点从 0 开始循环使用，不用搬移数据。

我们先看一下循环队列

如上图所示，当尾结点指向数组最后一个位置，当 tail 指向数组最后位置时，触发数据搬移，将 head ~ tail 结点的数据搬移到从 0 结点开始。数组队列头结点和尾结点说明：

头结点：head 结点指向第一个数据结点。当 head == tail 时说明队列处于队空状态，直接返回 null。

尾结点：tail 结点指向最后一个数据之后的空结点。当 tail == capcity 时说明队列处于队满状态，需要扩容或进行数据搬移。

根据上述理论代码实现如下：

public class ArrayQueue implements Queue {

private Object[] array;

private int capcity;

// head指向第一个数据结点的位置，tail指向最后一个数据结点之后的位置

private int head;

private int tail;

public ArrayQueue() {

this.capcity = 1024;

this.array = new Object[this.capcity];

}

public ArrayQueue(int capcity) {

this.capcity = capcity;

this.array = new Object[capcity];

}

/**

* tail 指向数组最后位置时，需要触发扩容或数组搬移

* 1. head!=0 说明数组还有剩余的空间，将 head 搬运到队列 array[0]

* 2. head==0 说明数组没有剩余的空间，扩容

*/

@Override

public Queue enqueue(Object obj) {

if (tail == capcity) {

if (head == 0) {

resize();

} else {

rewind();

}

}

array[tail++] = obj;

return this;

}

@Override

public Object dequeue() {

if (head == tail) {

return null;

}

Object obj = array[head];

array[head] = null;

head++;

return obj;

}

// 将 head 搬运到队列 array[0]

private void rewind() {

for (int i = head; i < tail; i++) {

array[i - head] = array[i];

array[i] = null;

}

tail -= head;

head = 0;

}

// 扩容

private void resize() {

int oldCapcity = this.capcity;

int newCapcity = this.capcity * 2;

Object[] newArray = new Object[newCapcity];

for (int i = 0; i < oldCapcity; i++) {

newArray[i] = array[i];

}

this.capcity = newCapcity;

this.array = newArray;

}

@Override

public int size() {

return tail - head;

}

}

说明： 数组队列出队的时间复杂度始终是 O(1)。但入队时要分为三种情况：

有空间：大多数情况，也是最好时间复杂度 O(1)。

没有空间需要数据搬移：执行 n 后触发一次数据搬移，最坏时间复杂度 O(n)。

没有空间需要扩容：执行 n 后触发一次数据搬移，最坏时间复杂度 O(n)。

如果采用摊还分析法，最好时间复杂度 O(1)，最坏时间复杂度 O(n)，摊还时间复杂度为 O(1)。虽然，平均时间复杂度还是 O(1)，但我们能不能不进行数据搬移，直接循环使用数组呢？

2.3 循环队列

循环队列是一种非常高效的队列，我们需要重点掌握它，要能轻松写出无 BUG 的循环队列。

数组队列头结点和尾结点说明：

头结点：head 结点指向第一个数据结点。当 head == tail 时说明队列处于队空状态，直接返回 null。否则在元素出队后，需要重新计算 head 值。

尾结点：tail 结点指向最后一个数据之后的空结点。每次插入元素后重新计算 tail 值，当 tail == head 时说明队列处于队满状态，需要扩容。

元素位置：对数组长度取模 (tail + 1) % length ，所以这种数据为了提高效率，都要求数组长度为 2^n，通过位运算取模 (tail + 1) & (length - 1)。

public class ArrayCircularQueue implements Queue {

private Object[] array;

private int capcity;

// 头结点指向

private int head;

private int tail;

public ArrayCircularQueue() {

this.capcity = 1024;

this.array = new Object[this.capcity];

}

public ArrayCircularQueue(int capcity) {

this.capcity = capcity;

this.array = new Object[capcity];

}

@Override

public Queue enqueue(Object obj) {

array[tail] = obj;

if ((tail = (tail + 1) % capcity) == head) {

resize();

}

return this;

}

@Override

public Object dequeue() {

if (head == tail) {

return null;

}

Object obj = array[head];

array[head] = null;

head = (head + 1) % capcity;

return obj;

}

// 不扩容，要先判断能否往数组中添加元素

public Queue enqueue2(Object obj) {

if ((tail + 1) % capcity == head) return this;

array[tail] = obj;

tail = (tail + 1) % capcity;

return this;

}

// 扩容

private void resize() {

// 说明还有空间

if (head != tail) {

return;

}

int oldCapcity = this.capcity;

int newCapcity = this.capcity * 2;

Object[] newArray = new Object[newCapcity];

for (int i = head; i < oldCapcity; i++) {

newArray[i - head] = array[i];

}

for (int i = 0; i < head; i++) {

newArray[capcity - head + i] = array[i];

}

this.capcity = newCapcity;

this.array = newArray;

this.head = 0;

this.tail = oldCapcity;

}

@Override

public int size() {

return tail - head;

}

}

说明： 循环队列关键是判断队空和空满的状态分别进行处理。除开扩容操作，循环队列的入队和出队的时间复杂度都是 O(1)，同时也可以充分利用 CPU 缓存，所以说一种高效的数据结构。

2.4 阻塞队列和并发队列

3. 队列在软件工程中应用

如 JDK 线程池，当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？各种处理策略又是如何实现的呢？我们一般有两种处理策略。

非阻塞的处理方式，直接拒绝任务请求；

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。

每天用心记录一点点。内容也许不重要，但习惯很重要！