队列：队列在线程池等有限资源池中的应用

一、如何理解“队列”？

1. 队列是一种操作受限的线性表数据结构。
2. 队列最大的特点就是先进先出。
3. 最基本的操作：入队 enqueue()，放一个数据到队列尾部；出队 dequeue()，从队列头部取一个元素。

二、顺序队列和链式队列

1、用数组实现的队列叫顺序队列，用链表实现的队列叫链式队列。

2、队列需要两个指针：一个是 head 指针，指向队头；一个是 tail 指针，指向队尾。

3、随着不停地进行入队、出队操作，head 和 tail 都会持续往后移动。当 tail 移动到最右边，即使数组中还有空闲空间，也无法继续往队列中添加数据了。

4、基于链表的实现，同样需要两个指针：head 指针和 tail 指针。分别指向链表的第一个结点和最后一个结点。入队时，tail->next= new_node, tail = tail->next；出队时，head = head->next。

三、循环队列

1、循环队列，原本数组是有头有尾的，是一条直线。把首尾相连，扳成了一个环。

2、在数组实现队列的时候，会有数据搬移操作，要想解决数据搬移的问题，需要像环一样的循环队列。

3、要想写出没有 bug 的循环队列的实现代码，最关键的是，确定好队空和队满的判定条件。

1）队列为空的判断条件仍然是 head == tail。

2）当队满时，(tail+1)%n=head。 tail 指向的位置实际上是没有存储数据的。所以，循环队列会浪费一个数组的存储空间。

四、阻塞队列和并发队列

1、阻塞队列

1）阻塞队列就是在队列基础上增加了阻塞操作。

2）在队列为空的时候，从队头取数据会被阻塞。因为此时还没有数据可取，直到队列中有了数据才能返回；如果队列已经满了，那么插入数据的操作就会被阻塞，直到队列中有空闲位置后再插入数据，然后再返回。

3）基于阻塞队列实现的“生产者 - 消费者模型”，可以有效地协调生产和消费的速度。

当“生产者”生产数据的速度过快，“消费者”来不及消费时，存储数据的队列很快就会满了，这时生产者就阻塞等待，直到“消费者”消费了数据，“生产者”才会被唤醒继续生产。不仅如此，基于阻塞队列，我们还可以通过协调“生产者”和“消费者”的个数，来提高数据处理效率，比如配置几个消费者，来应对一个生产者。

2、并发队列

1）在多线程的情况下，会有多个线程同时操作队列，这时就会存在线程安全问题。能够有效解决线程安全问题的队列就称为并发队列。

2）最简单直接的实现方式是直接在 enqueue()、dequeue() 方法上加锁，但是锁粒度大并发度会比较低，同一时刻仅允许一个存或者取操作。

3）实际上，基于数组的循环队列，利用 CAS 原子操作，可以实现非常高效的并发队列。这也是循环队列比链式队列应用更加广泛的原因。

五、线程池资源排队处理策略

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？

一般有两种处理策略。第一种是非阻塞的处理方式，直接拒绝任务请求；另一种是阻塞的处理方式，将请求排队，等到有空闲线程时，取出排队的请求继续处理。

1、基于链表的实现方式，可以实现一个支持无限排队的无界队列（unbounded queue），但是可能会导致过多的请求排队等待，请求处理的响应时间过长。所以，针对响应时间比较敏感的系统，基于链表实现的无限排队的线程池是不合适的。

2、基于数组实现的有界队列（bounded queue），队列的大小有限，所以线程池中排队的请求超过队列大小时，接下来的请求就会被拒绝，这种方式对响应时间敏感的系统来说，就相对更加合理。不过，设置一个合理的队列大小，也是非常有讲究的。队列太大导致等待的请求太多，队列太小会导致无法充分利用系统资源、发挥最大性能。

（除了前面讲到队列应用在线程池请求排队的场景之外，队列可以应用在任何有限资源池中，用于排队请求，比如数据库连接池等。实际上，对于大部分资源有限的场景，当没有空闲资源时，基本上都可以通过“队列”这种数据结构来实现请求排队。）

【思考】
1.除了线程池这种池结构会用到队列排队请求，还有哪些类似线程池结构或者场景中会用到队列的排队请求呢？

• 像windows操作系统的消息队列，略高级一些带有优先级。还有qt中的信号与槽函数机制，使用connect链接，其中的参数就是设置为把窗口界面消息放到消息队列，然后一次取出。比如优先级消息，窗口系统关闭，优先级高，则就直接执行关闭操作。
• sockets网络连接队列。
• 数据库连接队列。
• 一种集群操作，很多客户端像服务端请求资源，处理高并发大量请求。把这些请求放到队列中。
• 分布式应用中的消息队列，也是一种队列结构。

2.今天讲到并发队列，关于如何实现无锁的并发队列，网上有很多讨论。对这个问题，你怎么看？

考虑使用CAS实现无锁队列，则在入队前，获取tail位置，入队时比较tail是否发生变化，如果否，则允许入队，反之，本次入队失败。出队则是获取head位置，进行cas。

队列的实现

1.队列API

public interface Queue<T> {
public void enqueue(T item); //入队
public T dequeue(); //出队
public int size(); //统计元素数量
public boolean isNull(); //是否为空
}

2.用数组实现的队列

老师的

// 用数组实现的队列
public class ArrayQueue {
  // 数组：items，数组大小：n
  private String[] items;
  private int n = 0;
  // head表示队头下标，tail表示队尾下标
  private int head = 0;
  private int tail = 0;

  // 申请一个大小为capacity的数组
  public ArrayQueue(int capacity) {
    items = new String[capacity];
    n = capacity;
  }

  // 入队
  public boolean enqueue(String item) {
    // 如果tail == n 表示队列已经满了
    if (tail == n) return false;
    items[tail] = item;
    ++tail;
    return true;
  }
    //解决数据迁移问题的入队函数
   // 入队操作，将item放入队尾
  public boolean enqueue(String item) {
    // tail == n表示队列末尾没有空间了
    if (tail == n) {
      // tail ==n && head==0，表示整个队列都占满了
      if (head == 0) return false;
      // 数据搬移
      for (int i = head; i < tail; ++i) {
        items[i-head] = items[i];
      }
      // 搬移完之后重新更新head和tail
      tail -= head;
      head = 0;
    }
    
    items[tail] = item;
    ++tail;
    return true;
  }

  // 出队
  public String dequeue() {
    // 如果head == tail 表示队列为空
    if (head == tail) return null;
    // 为了让其他语言的同学看的更加明确，把--操作放到单独一行来写了
    String ret = items[head];
    ++head;
    return ret;
  }
}

同学的

public class ArrayQueue {
    //存储数据的数组
    private String[] items;
    //记录数组容量
    private int n;
    private int size;
    //head记录队头索引，tail记录队尾索引
    private int head = 0;
    private int tail = 0;
    //申请一个指定容量的队列
    public ArrayQueue(int capacity){
        items = new String[capacity];
        n = capacity;
    }
    /*
     * 入队：
     * 1.堆满的时，入队失败
     * 1.1频繁出入队，造成数组使用不连续
     * 1.2在入队的时候，集中触发进行数据搬移
     * 2.在末尾插入数据，注意tail指向队尾元素的索引+1
     */
    public boolean enqueue(String item){
//表示队满
        if(head == 0 && tail == n)
            return false;
//表示需要数据搬移
        else if(head != 0 && tail == n){
            for (int i = head; i < tail; i++) {
                items[i-head] = items[i];
            }
            tail = tail - head;
            head = 0; 
        }
//将数据加入队列
        items[tail++] = item;
        size++;
        return true;
    }
    //出队：1.队空时，出队失败;2.出队，head索引+1
    public String dequeue(){
        String res = null;
        if(head == tail) return res;
        res = items[head++];
        size--;
        return res;
    }
}

2.链表实现队列

public class LinkedQueue {
    //定义一个节点类
    private class Node{
        String value;
        Node next;
    }
    //记录队列元素个数
    private int size = 0;
    //head指向队头结点，tail指向队尾节点
    private Node head;
    private Node tail;
    //申请一个队列
    public LinkedQueue(){}
    //入队
    public boolean enqueue(String item){
        Node newNode = new Node();
        newNode.value = item;
        if (size == 0) head = newNode;
        else tail.next = newNode;
        tail = newNode;
        size++;
        return true;
    }
    //出队
    public String dequeue(){
        String res = null;
        if(size == 0) return res;
        if(size == 1) tail = null;
        res = head.value;
        head = head.next;
        size--;
        return res;
    }
}

3.循环队列

//老师的

public class CircularQueue {
  // 数组：items，数组大小：n
  private String[] items;
  private int n = 0;
  // head表示队头下标，tail表示队尾下标
  private int head = 0;
  private int tail = 0;

  // 申请一个大小为capacity的数组
  public CircularQueue(int capacity) {
    items = new String[capacity];
    n = capacity;
  }

  // 入队
  public boolean enqueue(String item) {
    // 队列满了
    if ((tail + 1) % n == head) return false;
    items[tail] = item;
    tail = (tail + 1) % n;
    return true;
  }

  // 出队
  public String dequeue() {
    // 如果head == tail 表示队列为空
    if (head == tail) return null;
    String ret = items[head];
    head = (head + 1) % n;
    return ret;
  }
}

//同学的

public class LoopArrayQueue {
    //存储数据的数组
    private String[] items;
    //记录数组容量
    private int n;
    private int size = 0;
    //head记录队头索引，tail记录队尾索引
    private int head = 0;
    private int tail = 0;
    //申请一个指定容量的队列
    public LoopArrayQueue(int capacity){
        items = new String[capacity];
        n = capacity;
    }
    //入队：关键在于队满的条件
    public boolean enqueue(String item){
        if ((tail + 1) % n == head) return false;
        items[tail] = item;
        tail = (tail + 1) % n;
        size++;
        return true;
    }
    //出队：关键在于队空的条件
    public String dequeue(){
        String res = null;
        if(head == tail) return res;
        res = items[head];
        head = (head + 1) % n;
        size--;
        return res;
    }
}