简单易懂的Java Queue入门教程！

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我是一名后端开发爱好者，工作日常接触到最多的就是Java语言啦，所以我都尽量抽业余时间把自己所学到所会的，通过文章的形式进行输出，希望以这种方式帮助到更多的初学者或者想入门的小伙伴们，同时也能对自己的技术进行沉淀，加以复盘，查缺补漏。

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前言

在软件开发领域，队列是一种非常重要的数据结构。它被广泛应用于多线程、网络通信、缓存、消息队列等场景。Java语言提供了多种队列实现，其中最常用的是Queue接口及其实现类。下面将详细介绍Java中的Queue及其应用场景。

摘要

本文将介绍Java中Queue接口及其实现类的概念、源代码解析、应用场景案例、优缺点分析、类代码方法介绍、测试用例等内容。原则上，读者需要掌握Java基础语法及数据结构相关知识。

Queue

简介

Queue是Java中的一种接口，它继承自Collection接口，并添加了一些队列相关的方法。Queue的实现类有多种，包括LinkedList、ArrayBlockingQueue、PriorityQueue、ConcurrentLinkedQueue等。下面简要介绍一下各个实现类的特点：

LinkedList

LinkedList是Java中的一个双向链表实现类。LinkedList实现了Deque接口，Deque又是Queue接口的子接口，因此LinkedList可以被视为Queue的一种实现。LinkedList的优点是插入、删除操作效率高，但是随机访问效率低。

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是Java中的一个基于数组的有界阻塞队列实现类。它的内部实现类似于一个环形数组，数组的长度是固定的。ArrayBlockingQueue具有先进先出的队列特性，它支持多线程安全访问，可以指定等待时间，当队列满或空时，线程将被阻塞。

PriorityQueue

PriorityQueue是Java中的一个带优先级的队列实现类。它的内部是一个堆结构，根据元素的排序规则进行排序，每次出队时都会返回当前队列中最小（或最大）的元素。PriorityQueue的特点是插入、删除效率高，但是元素数量较大时遍历效率不高。

ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue是Java中的一个基于链表的无界并发队列实现类。ConcurrentLinkedQueue的特点是多线程安全，能够高效地处理高并发场景。它不支持阻塞操作，而且不保证元素的排序。

源代码解析

下面我们以ArrayBlockingQueue为例，简单解析一下它的源代码。

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {/** The queued items */final Object[] items;/** items index for next take, poll or remove */int takeIndex;/** items index for next put, offer, or add */int putIndex;/** Number of elements in the queue */int count;/** Main lock guarding all access */final ReentrantLock lock;/** Condition for waiting takes */private final Condition notEmpty;/** Condition for waiting puts */private final Condition notFull;// ...
}

如上所示，ArrayBlockingQueue继承了AbstractQueue类，并实现了BlockingQueue接口和Serializable接口。其内部使用了一个Object数组items用于存储队列中的元素，使用takeIndex和putIndex分别表示下一次取出元素和添加元素的位置，使用count表示队列中当前元素个数，使用lock实现线程同步，使用notEmpty和notFull两个Condition实现阻塞和唤醒操作。

如下是部分源码截图：

在这里插入图片描述

应用场景案例

下面介绍一下Queue在实际开发中的应用场景：

消息队列

在分布式系统中，消息队列是一种常用的通信方式。生产者向队列中添加消息，消费者从队列中取出消息进行处理。Java语言中提供的ActiveMQ和RabbitMQ等消息队列服务均使用了队列的相关技术。
线程池

在Java中，线程池通常使用BlockingQueue来存储待执行的任务。当线程池中的线程已经全部分配任务时，新的任务将会被阻塞，直到有线程可用为止。Java中的ThreadPoolExecutor就是使用了BlockingQueue来存储待执行的任务。
缓存

在Java中，缓存通常使用LinkedList或ConcurrentLinkedQueue来实现。缓存存储的是最近访问过的元素，当缓存已满时，新的元素会将最旧的元素移除。

优缺点分析

Queue的优缺点分析如下：

优点

Queue能够高效地实现元素的插入、删除以及元素的存储。Queue还能够在多线程场景中安全地实现元素的读写操作。
缺点

在某些场景下，Queue可能会存在性能瓶颈。例如当Queue中元素数量较大时，遍历操作效率较低，此时需要使用其他数据结构来优化性能。另外Queue中元素的顺序是固定的，无法对元素的顺序进行修改。

类代码方法介绍

Queue接口中包含了很多常用的方法，下面介绍一下其中一些常用的方法：

add(E e)

将元素e添加到队列尾部，如果队列已满，则抛出IllegalStateException异常。
offer(E e)

将元素e添加到队列尾部，返回值表示添加操作是否成功。
remove()

移除队列头部的元素并返回该元素，如果队列为空，则抛出NoSuchElementException异常。
poll()

移除队列头部的元素并返回该元素，如果队列为空，则返回null。
element()

返回队列头部的元素，如果队列为空，则抛出NoSuchElementException异常。
peek()

返回队列头部的元素，如果队列为空，则返回null。

测试用例

下面给出ArrayBlockingQueue的测试用例：

测试代码

package com.example.javase.collection;import java.util.concurrent.*;/*** @Author ms* @Date 2023-10-24 23:32*/
public class QueueTest {private static final int BUFFER_SIZE = 10;private static final int PRODUCER_COUNT = 5;private static final int CONSUMER_COUNT = 5;private static final int ITEM_COUNT = 1000;private static final ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();public static void main(String[] args) throws InterruptedException {ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(BUFFER_SIZE);for (int i = 0; i < PRODUCER_COUNT; i++) {pool.execute(new Producer(queue, ITEM_COUNT));}for (int i = 0; i < CONSUMER_COUNT; i++) {pool.execute(new Consumer(queue, ITEM_COUNT));}TimeUnit.SECONDS.sleep(60);pool.shutdown();}static class Producer implements Runnable {final BlockingQueue<Integer> queue;final int count;Producer(BlockingQueue<Integer> queue, int count) {this.queue = queue;this.count = count;}public void run() {try {for (int i = 0; i < count; i++) {queue.put(i);}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}}static class Consumer implements Runnable {final BlockingQueue<Integer> queue;final int count;Consumer(BlockingQueue<Integer> queue, int count) {this.queue = queue;this.count = count;}public void run() {try {for (int i = 0; i < count; i++) {queue.take();}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}}
}

这段代码实现了生产者-消费者模型，使用了Java内置的阻塞队列ArrayBlockingQueue来作为共享的缓冲区。主要包含了三个部分：

定义了共享缓冲区的大小BUFFER_SIZE、生产者和消费者的数量PRODUCER_COUNT和CONSUMER_COUNT，以及需要生产和消费的数据ITEM_COUNT。
在main方法中，创建一个ArrayBlockingQueue实例，并分别创建PRODUCER_COUNT个生产者线程和CONSUMER_COUNT个消费者线程，然后分别启动这些线程并等待60秒钟后关闭线程池。
Producer和Consumer类都实现了Runnable接口。在Producer的run方法中，不断向队列中添加数据，直到添加的次数达到ITEM_COUNT；在Consumer的run方法中，不断从队列中取出数据，直到取出的次数达到ITEM_COUNT。由于ArrayBlockingQueue是线程安全的，因此不需要做额外的同步处理。

总的来说，这段代码展示了如何使用Java内置的阻塞队列来实现生产者-消费者模型，避免了手动实现同步和互斥的复杂性，提高了代码的可读性、可维护性和可复用性。

测试结果

根据如上测试用例，本地测试结果如下，仅供参考，你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法，进行熟练学习以此加深理解。

在这里插入图片描述

代码分析

根据如上测试用例，本地测试结果如下，仅供参考，你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法，进行熟练学习以此加深理解。
该代码是一个使用 ArrayBlockingQueue 实现的生产者-消费者模型的示例。包含一个主类 ArrayBlockingQueueTest 和两个内部静态类 Producer 和 Consumer。主类中创建一个 ArrayBlockingQueue，然后创建 PRODUCER_COUNT 个 Producer 线程和 CONSUMER_COUNT 个 Consumer 线程，并启动它们。每个 Producer 线程向队列中插入 ITEM_COUNT 个元素，每个 Consumer 线程从队列中取出 ITEM_COUNT 个元素。当所有线程运行完毕后，程序将等待 60 秒钟，然后关闭线程池。

Producer 和 Consumer 类实现了 Runnable 接口，分别包含一个 BlockingQueue 对象和一个 count 变量。在 run() 方法中，Producer 线程将元素插入队列中，Consumer 线程从队列中取出元素。如果队列已满（对于 Producer）或者队列为空（对于 Consumer），线程会进入阻塞状态。如果线程被中断，则中断状态会被设置并退出线程。

该示例使用了线程池来管理并发任务，增加效率。使用 ArrayBlockingQueue 实现了并发访问控制，保证了线程安全。

小结

Queue是Java中的一个接口，它的实现类包括LinkedList、ArrayBlockingQueue、PriorityQueue、ConcurrentLinkedQueue等。Queue常用于消息队列、线程池、缓存等场景。在使用Queue时需要注意线程安全性和性能问题。

总结

本文介绍了Java中Queue接口及其实现类的概念、源代码解析、应用场景案例、优缺点分析、类代码方法介绍、测试用例等内容。Queue是Java中常用的数据结构，能够高效地实现元素的插入、删除及存储，在多线程场景中也能保障线程安全。常用的Queue实现类有LinkedList、ArrayBlockingQueue、PriorityQueue、ConcurrentLinkedQueue等，它们都具有各自的优缺点。Queue的应用场景包括消息队列、线程池、缓存等。在使用Queue时需要注意性能问题和线程安全性。

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