Java集合Queue——针对实习面试

目录

  • Java集合Queue
    • Queue接口的特点是什么？
    • Queue和Deque的区别？
    • ArrayDeque和LinkedList的区别？
    • 什么是PriorityQueue？
    • 什么是BlockingQueue？

Java集合Queue

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Queue接口的特点是什么？

Queue接口在Java中是一个特殊的集合，它具有以下特点：

  1. 先进先出（FIFO）原则：
    Queue接口遵循FIFO（先进先出）的原则，这意味着元素被添加到队列的末尾，并从队列的前端移除。

  2. 元素访问：
    Queue提供了对队列头部和尾部元素的访问。peek()方法允许查看队列头部的元素而不移除它，而element()方法也用于获取队头元素，但与peek()不同，如果队列为空，element()会抛出NoSuchElementException异常。

  3. 添加和移除元素：
    Queue接口提供了add(E e)和remove()方法来添加和移除元素，这些方法在队列满或空时会抛出异常。为了更安全地处理这些情况，Queue还提供了offer(E e)和poll()方法，它们在无法添加或移除元素时返回false或null，而不是抛出异常。

  4. 容量限制：
    某些Queue实现（如ArrayDeque和LinkedBlockingQueue）有容量限制，而其他实现（如LinkedList）则没有容量限制。

  5. 双端队列（Deque）：
    Queue可以扩展为Deque接口，这允许元素从队列的两端进行插入和移除操作，使得Queue既可以作为队列使用，也可以作为栈使用。

  6. 线程安全性：
    Queue接口本身不提供线程安全的保证，但Java提供了BlockingQueue接口，它是Queue的子接口，提供了线程安全的队列实现，适用于多线程环境。

  7. 泛型支持：
    Queue接口支持泛型，这意味着你可以指定队列中元素的类型，从而在编译时期提供类型安全。

  8. 优先级队列：
    Queue的一个子接口PriorityQueue提供了优先级队列的实现，元素根据其自然顺序或通过提供的Comparator进行排序。

  9. 非阻塞和阻塞操作：
    对于非阻塞操作，Queue提供了poll()和offer()方法；对于阻塞操作，BlockingQueue提供了take()和put()方法，这些方法在无法进行操作时会阻塞调用线程。

了解Queue接口的这些特点对于在Java中正确使用队列至关重要，无论是在单线程还是多线程环境中。

Queue和Deque的区别？

Queue和Deque都是Java集合框架中的接口，它们都可以用来存储元素，但它们之间存在一些关键的区别：

  1. 顺序不同：

    • Queue接口是先进先出（FIFO）的数据结构，元素从队尾添加，从队头移除。
    • Deque接口是双端队列，支持从两端添加和移除元素，既可以实现FIFO（队列）的行为，也可以实现后进先出（LIFO，即栈）的行为。

  2. 方法不同：

    • Queue提供了add, offer, remove, poll, element, peek等方法。
    • Deque除了包含Queue的所有方法外，还提供了addFirst, addLast, offerFirst, offerLast, pollFirst, pollLast, removeFirst, removeLast, getFirst, getLast, peekFirst, peekLast等方法，这些方法允许从两端进行操作。

  3. 行为不同：

    • Queue的行为更受限，只能从队头移除元素，从队尾添加元素。
    • Deque的行为更灵活，可以作为队列、栈或两者的组合来使用。

  4. 实现类不同：

    • Queue的常见实现类有LinkedList, PriorityQueue, ArrayDeque（也是Deque的实现）。
    • Deque的常见实现类有ArrayDeque和LinkedList。

  5. 性能考虑：

    • 对于Queue，LinkedList是一个常见的选择，因为它允许快速的插入和删

ArrayDeque和LinkedList的区别？

ArrayDeque和LinkedList都是Java中的双端队列（Deque）实现，但它们在内部数据结构和性能特性上有所不同。以下是它们的主要区别：

  1. 内部数据结构：

    • ArrayDeque是基于动态数组实现的，这意味着它使用一个可扩展的数组来存储元素。
    • LinkedList是基于双向链表实现的，每个元素都包含对前一个和后一个元素的引用。

  2. 随机访问性能：

    • ArrayDeque支持快速的随机访问，因为它的元素存储在数组中，可以通过索引直接访问。
    • LinkedList不支持快速随机访问，因为它需要从头或尾开始遍历链表才能到达特定位置。

  3. 内存占用：

    • ArrayDeque的内存占用通常比LinkedList少，因为它不需要为每个元素存储额外的前驱和后继指针。
    • LinkedList的每个节点都需要额外的空间来存储两个指针（指向前一个和后一个元素），这增加了内存开销。

  4. 扩容操作：

    • ArrayDeque在需要时会进行扩容操作，这涉及到创建一个新的数组并复制旧数组中的元素，这是一个相对昂贵的操作，但通常比链表操作快。
    • LinkedList不需要扩容操作，因为它总是能够通过创建新的节点来动态地添加元素。

  5. 插入和删除性能：

    • ArrayDeque在两端的插入和删除操作上通常比LinkedList快，因为它不需要像链表那样维护前后节点的链接。
    • LinkedList在两端的插入和删除操作上也很快，因为它只需要改变几个节点的指针，但随机位置的插入和删除操作会慢一些。

  6. 线程安全性：

    • 两者都不是线程安全的，但可以通过Collections.synchronizedDeque方法来创建线程安全的ArrayDeque或LinkedList。

  7. 使用场景：

    • ArrayDeque适合于需要快速随机访问元素的场景，以及作为栈或队列使用时，元素数量相对固定的情况。
    • LinkedList适合于需要在列表中间频繁插入和删除元素的场景，或者作为队列使用时，元素数量频繁变化的情况。

  8. 实现的接口：

    • ArrayDeque实现了Deque接口和Queue接口。
    • LinkedList实现了List接口、Deque接口和Queue接口。

  9. 性能特性：

    • ArrayDeque在并发环境下的性能通常优于LinkedList，因为它的扩容操作和随机访问操作更快。

在选择ArrayDeque和LinkedList时，需要根据具体的应用场景和性能要求来决定使用哪一个。如果需要频繁的随机访问，或者队列的大小相对固定，ArrayDeque可能是更好的选择。如果需要在列表中间频繁地进行插入和删除操作，或者队列的大小频繁变化，LinkedList可能更合适。

什么是PriorityQueue？

PriorityQueue是Java中的一个类，它实现了Queue接口，并且是java.util包的一部分。以下是PriorityQueue的一些关键特性：

  1. 排序：

    • PriorityQueue是一个优先级队列，其中元素根据它们的自然顺序或者通过提供的Comparator进行排序。队列的头部（队首）总是队列中具有最高优先级的元素。

  2. 无界队列：

    • 默认情况下，PriorityQueue是一个无界队列，这意味着它可以无限增长，除非内存不足。

  3. 线程不安全：

    • PriorityQueue不是线程安全的。如果需要线程安全的优先级队列，可以使用PriorityBlockingQueue。

  4. 元素唯一性：

    • PriorityQueue不允许插入null元素，并且根据使用的比较器（Comparator），可能也不支持元素重复。

  5. 插入和删除操作：

    • PriorityQueue提供了offer(E e)方法来添加元素，和poll()方法来移除并返回队列头部的元素。这些操作的时间复杂度是O(log(n))。

  6. 元素访问：

    • 可以通过peek()方法来查看但不移除队列头部的元素，如果队列为空，则返回null。

  7. 自定义排序：

    • 在创建PriorityQueue实例时，可以提供一个Comparator来定义元素的排序规则。

  8. 迭代器：

    • PriorityQueue提供了一个迭代器，允许按优先级顺序遍历队列中的元素。

  9. 堆的实现：

    • PriorityQueue通常使用堆数据结构（通常是二叉堆）来存储元素，以保证高效的插入和删除操作。

  10. 使用场景：

    • PriorityQueue适用于需要根据优先级处理元素的场景，例如任务调度、事件驱动模拟等。

下面是一个简单的PriorityQueue使用示例：

import java.util.PriorityQueue;public class PriorityQueueExample {public static void main(String[] args) {PriorityQueue<Integer> pq = new PriorityQueue<>(); // 默认自然顺序排序pq.offer(3);pq.offer(1);pq.offer(2);System.out.println(pq.poll()); // 输出 1System.out.println(pq.poll()); // 输出 2System.out.println(pq.poll()); // 输出 3}
}

在这个例子中，整数被添加到优先级队列中，并按照自然顺序（升序）排序。使用poll()方法可以按优先级顺序移除元素。

什么是BlockingQueue？

BlockingQueue是Java并发包java.util.concurrent中的一个接口，它继承自java.util.Queue接口。BlockingQueue提供了线程安全的队列实现，主要用于多线程之间的数据交换。以下是BlockingQueue的一些关键特性：

  1. 线程安全：

    • BlockingQueue的所有实现都是线程安全的，这意味着它们可以被多个线程安全地访问而不需要额外的同步。

  2. 阻塞操作：

    • BlockingQueue提供了阻塞的插入（put）和移除（take）操作。当队列满时，插入操作会阻塞，直到队列中有空间；当队列空时，移除操作会阻塞，直到队列中有元素。

  3. 可选的公平性：

    • 一些BlockingQueue实现（如LinkedBlockingQueue）允许构造函数中指定公平性（fairness）。如果设置为公平性模式，线程将根据它们等待的时间来访问队列，而不公平的队列可能允许饥饿现象发生。

  4. 容量限制：

    • 某些BlockingQueue实现（如ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue）有固定容量，而其他实现（如LinkedBlockingQueue的无界版本）可以有无限容量。

  5. 非阻塞操作：

    • 除了阻塞操作外，BlockingQueue还提供了非阻塞的插入（offer）和移除（poll）操作，这些操作在无法立即完成时会立即返回。

  6. 支持超时：

    • BlockingQueue提供了带有超时的插入（offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)）和移除（poll(long timeout, TimeUnit unit)）操作，允许线程在等待一定时间后放弃。

  7. 支持中断：

    • BlockingQueue的阻塞操作可以通过中断来响应中断信号，允许线程在等待时响应中断，提高程序的响应性。

  8. 常见实现：

    • ArrayBlockingQueue：一个由数组支持的有界阻塞队列。
    • LinkedBlockingQueue：一个由链表支持的可选有界阻塞队列。
    • PriorityBlockingQueue：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
    • SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列，每个插入操作必须等待一个移除操作，反之亦然。

  9. 使用场景：

    • BlockingQueue适用于生产者-消费者问题，其中生产者线程将元素放入队列，消费者线程从队列中取出元素。

下面是一个简单的BlockingQueue使用示例：

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;public class BlockingQueueExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>();// 生产者线程Thread producer = new Thread(() -> {try {queue.put(1); // 将元素放入队列System.out.println("Produced: 1");} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}});// 消费者线程Thread consumer = new Thread(() -> {try {int element = queue.take(); // 从队列中取出元素System.out.println("Consumed: " + element);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}});producer.start();consumer.start();producer.join();consumer.join();}
}

在这个例子中，生产者线程将一个元素放入LinkedBlockingQueue，而消费者线程从队列中取出该元素。如果队列为空，take方法将阻塞消费者线程，直到队列中有元素可用。

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