java-02 数据结构-队列

在Java中，队列是一种常见的数据结构，用于在保持顺序的同时存储和检索数据。Java提供了java.util.Queue接口，它的常见实现包括ArrayDeque、LinkedList和PriorityQueue等。

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文章目录

1 java中队列简述
2 在Java中有哪些常见的队列
3 重点队列分析
- 3.1 Queue 接口分析
- 3.2 Deque 接口分析
- 3.3 PriorityQueue 的实现原理详解
4 队列的分类
- 4.1 Queue队列
- 4.2 双端队列
- 4.3 阻塞队列
- 4.4 非阻塞队列
5 各队列的区别与联系

1 java中队列简述

队列是一种由数组和链表作为底层构造的只暴露头和尾操作API的数据结构，因此，队列是被认为是一种受限的数据结构。
请添加图片描述
补充：集合体系简图

2 在Java中有哪些常见的队列

在Java中，有一些常见的队列实现。下面是其中一些的列举：//队列也是一种线性的数据结构

ArrayList：ArrayList可以被用作队列，通过在列表末尾添加元素，并使用remove(0)方法从列表的开头删除元素。但是，由于在列表的开头删除元素会导致后续元素的移动，因此对于大量的插入和删除操作来说，ArrayList的性能可能不是最佳选择。
LinkedList：LinkedList也可以用作队列。LinkedList实现了Queue接口，可以使用offer()方法在队列的末尾添加元素，使用poll()方法从队列的开头删除并返回元素。LinkedList对于插入和删除操作具有较好的性能，因为它使用了指针来链接元素，而不需要移动其他元素。
ArrayBlockingQueue：ArrayBlockingQueue是一个有界阻塞队列，底层使用数组实现。它有一个固定的容量，并且在插入或删除元素时可能会阻塞线程，直到满足特定的条件。
LinkedBlockingQueue：LinkedBlockingQueue是一个可选有界或无界的阻塞队列，底层使用链表实现。它具有类似于- ArrayBlockingQueue的功能，但在内部实现上略有不同。
PriorityBlockingQueue：PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界阻塞队列。元素按照它们的优先级顺序被插入和删除。
ConcurrentLinkedQueue：ConcurrentLinkedQueue是一个非阻塞无界队列，它适用于多线程环境。它使用链表实现，并且提供了高效的并发操作。

3 重点队列分析

3.1 Queue 接口分析

Queue接口是Java集合框架中定义的一个接口，它代表了一个先进先出（FIFO）的队列。Queue接口继承自Collection接口，它定义了一组方法来操作队列中的元素。下面是Queue接口的一些主要方法和特性的详细解释：

（1）添加元素：
boolean add(E element): 将指定的元素添加到队列的末尾，如果成功则返回true，如果队列已满则抛出异常。
boolean offer(E element): 将指定的元素添加到队列的末尾，如果成功则返回true，如果队列已满则返回false。
（2）移除元素：
E remove(): 移除并返回队列头部的元素，如果队列为空则抛出异常。
E poll(): 移除并返回队列头部的元素，如果队列为空则返回null。
（3）获取头部元素：
E element(): 获取队列头部的元素，但不移除它，如果队列为空则抛出异常。
E peek(): 获取队列头部的元素，但不移除它，如果队列为空则返回null。
（4）队列大小：
int size(): 返回队列中的元素个数。
boolean isEmpty(): 判断队列是否为空。

Queue接口还有一些其他方法，如clear()用于清空队列中的所有元素，contains(Object o)用于判断队列是否包含指定元素等。Queue接口的常见实现类包括LinkedList、ArrayDeque和PriorityQueue等。LinkedList实现了Queue接口，并且还可以作为栈使用，它是一个双向链表。ArrayDeque是一个双端队列，它同时实现了Queue和Deque接口。PriorityQueue是一个基于优先级的队列，它允许元素按照优先级顺序被插入和删除。通过使用Queue接口，我们可以方便地进行队列操作，如入队、出队、查看队列头部元素等。它在处理任务调度、消息传递等场景中非常有用。

3.2 Deque 接口分析

Deque接口是Java集合框架中定义的一个接口，它代表了一个双端队列（Double Ended Queue）。Deque是"双端队列"的缩写。Deque接口继承自Queue接口，并在其基础上提供了在队列两端进行添加、删除和检索元素的操作。Deque可以在队列的头部和尾部同时进行元素的插入和删除，因此可以作为队列、栈或双向队列使用。

Deque接口定义了以下主要方法和特性：
（1）添加元素：
void addFirst(E element): 将指定元素添加到双端队列的头部。
void addLast(E element): 将指定元素添加到双端队列的尾部。
boolean offerFirst(E element): 将指定元素添加到双端队列的头部，如果成功则返回true，如果队列已满则返回false。
boolean offerLast(E element): 将指定元素添加到双端队列的尾部，如果成功则返回true，如果队列已满则返回false。
（2）移除元素：
E removeFirst(): 移除并返回双端队列的头部元素，如果队列为空则抛出异常。
E removeLast(): 移除并返回双端队列的尾部元素，如果队列为空则抛出异常。
E pollFirst(): 移除并返回双端队列的头部元素，如果队列为空则返回null。
E pollLast(): 移除并返回双端队列的尾部元素，如果队列为空则返回null。
（3）获取头部和尾部元素：
E getFirst(): 获取双端队列的头部元素，但不移除它，如果队列为空则抛出异常。
E getLast(): 获取双端队列的尾部元素，但不移除它，如果队列为空则抛出异常。
E peekFirst(): 获取双端队列的头部元素，但不移除它，如果队列为空则返回null。
E peekLast(): 获取双端队列的尾部元素，但不移除它，如果队列为空则返回null。

Deque接口还提供了一些其他方法，如size()用于返回双端队列中的元素个数，isEmpty()用于判断双端队列是否为空，clear()用于清空双端队列中的所有元素等。通过使用Deque接口，我们可以方便地进行双端队列操作，如在队列的头部和尾部插入和删除元素，获取头部和尾部元素，以及判断队列是否为空。Deque在许多场景下都很有用，比如实现LRU缓存、实现任务调度等。

另外，需要注意的是，Deque接口还可以用作栈（LIFO）的数据结构。通过在队列头部执行插入和删除操作，可以实现栈的功能。常见的栈操作可以使用Deque接口中的以下方法来实现：

void push(E element): 将元素推入栈顶，等同于addFirst(E element)。
E pop(): 弹出并返回栈顶元素，等同于removeFirst()。
E peek(): 获取栈顶元素，等同于peekFirst()。

所以，Deque接口是一个非常有用的接口，提供了双端队列的功能，既可以在队列的头部进行操作，也可以在尾部进行操作。它是Queue接口的扩展，可以方便地实现队列、栈和双向队列的功能，并提供了丰富的方法来操作和访问队列中的元素。

3.3 PriorityQueue 的实现原理详解

PriorityQueue的实现原理是基于二叉堆（Binary Heap），它是一种特殊的完全二叉树结构，具有以下性质：

PriorityQueue 一个基于优先级堆的无界优先级队列。优先级队列的元素按照其自然顺序进行排序,或者根据构造队列时提供的 Comparator 进行排序,具体取决于所使用的构造方法。优先级队列不允许使用 null 元素。
PriorityQueue允许元素具有相同的优先级，但它们的顺序不一定是确定的。在这种情况下，PriorityQueue的行为是不保证的，具有相同优先级的元素可能会以任意顺序被取出。
PriorityQueue 是非线程安全的,在多线程情况下可使用 PriorityBlockingQueue类替代;

    public static void main(String[] args) {//默认采用的是最小堆实现的PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(10, new Comparator<Integer>() {public int compare(Integer a, Integer b) {return a - b; //if a>b 则交换，so这是递增序列}});queue.offer(13);queue.offer(9);int len = queue.size();for (int i = 0; i < len; i++) {System.out.println(queue.poll());}//输出 9  13//默认采用的是最小堆实现的PriorityQueue<Integer> queue2 = new PriorityQueue<>(10);queue2.offer(11);queue2.offer(9);len = queue2.size();for (int i = 0; i < len; i++) {System.out.println(queue2.poll());}//输出 9， 11}

4 队列的分类

4.1 Queue队列

Queue是java中实现队列的接口，它总共只有6个方法，如下：
Queue的6个方法分类：

压入元素(添加)：add()、offer()
相同：未超出容量，从队尾压入元素，返回压入的那个元素。
区别：在超出容量时，add()方法会对抛出异常，offer()返回false
弹出元素(删除)：remove()、poll()
相同：容量大于0的时候，删除并返回队头被删除的那个元素。
区别：在容量为0的时候，remove()会抛出异常，poll()返回false
获取队头元素(不删除)：element()、peek()
相同：容量大于0的时候，都返回队头元素。但是不删除。
区别：容量为0的时候，element()会抛出异常，peek()返回null。

4.2 双端队列

deque 是“double ended queue（双端队列）”的缩写，通常读为“deck”。双端队列顾名思义就是队列的两个端口都能进出。
Deque的实现类是LinkedList,ArrayDeque,LinkedBlockingDeque，其中LinkedList是最常用的。值得注意的是，LinkedList也实现了List接口。大多数Deque既可以是有容量限制也可以是无固定容量限制。
在这里插入图片描述

由于双端队列的既能实现先进先出，也能实现先进后出，因此，双端队列一般有三种用途：

// 作为普通队列（先进先出）
Queue queue = new LinkedList()或Deque deque = new LinkedList()
// 作为堆栈（先进后出）
Deque deque = new LinkedList()
// 作为双端队列（两端可进出）
Deque deque = new LinkedList()

以下是双端队列与堆栈方法的等效方法对比：
在这里插入图片描述

4.3 阻塞队列

1、理解
阻塞队列是一个支持两个附加操作的队列，即在队列为满时，存储元素的线程会等待队列可用，当队列为空时，获取元素的线程会等待队列为非空。

2、Java中的阻塞队列
阻塞队列接口有BlockingQueue和BlockingDeque两个，其中后者是双向队列。
其中BlockingQueue接口提供的方法如下：
在这里插入图片描述
BlockingDeque接口提供的方法如下：
头部元素：

尾部元素：

3 常见的阻塞队列有：
ArrayBlockingQueue ：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
LinkedBlockingQueue ：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。
PriorityBlockingQueue ：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。
SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。
LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。
LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列

具体的实现方法没有深究，有兴趣的可以看引用资料：阻塞队列详解

4.4 非阻塞队列

1、理解
非阻塞队列不能阻塞，个人理解为普通队列，在多线程中，当队列满或空时，只能使用wait()和notify()进行队列消息传送。

2、Java中的非阻塞队列
AbstractQueue是非阻塞队列的接口，常见的非阻塞实现类有：

（1）LinkedList
既实现了AbstractQueue接口也实现了Deque接口，也可作为双端队列使用。
（2）PriorityQueue
该类维护了一个有序队列，默认队头是规则排序中最小的元素，若多个最小值，则随机挑选。
排序的规则是通过构造函数comparator来实现，因此，该队列不允许插入null值或不可比较的对象。
（3）ConcurrentLinkedQueue
该类是基于链接点的线程安全队列，并发访问不需要同步。因为它在队列的尾部添加元素并从头部删除它们，所以只要不需要知道队列的大小，ConcurrentLinkedQueue 对公共集合的共享访问就可以工作得很好。收集关于队列大小的信息会很慢，需要遍历队列。此队列不允许使用null元素，

3、操作方法
add(E e)：将元素 e 插入到队列末尾，如果插入成功，则返回 true；如果插入失败（即队列已满），则会抛出异常；
remove()：移除队首元素，若移除成功，则返回 true；如果移除失败（队列为空），则会抛出异常；
remove(Object o)：移除指定的元素，若移除成功，则返回 true；如果移除失败（队列为空），则会抛出异常
offer(E e)：将元素 e 插入到队列末尾，如果插入成功，则返回 true；如果插入失败（即队列已满），则返回 false；
poll()：移除并获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回 null；
peek()：获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回 null
isEmpty()：队列是否为空
size()：队列长度

值得注意的是，一般情况下建议使用 offer、poll 和 peek 三个方法，不建议使用 add 和 remove 方法。因为使用 offer、poll 和 peek 三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用 add 和 remove 方法却不能达到这样的效果。
尤其对于插入操作，往往使用返回特殊值的方法。