数据结构与算法之美-队列

前言：本篇文章只是记录王争的数据结构与算法之美的学习笔记，写下来能强迫自己系统的再过一遍，加深理解。这门课以实际开发中遇到的问题为例，引入解决问题涉及到的的数据结构和算法，但不会讲的太细，最好结合一本实体书进行学习。

CPU 资源是有限的，任务的处理速度和线程个数也不是线性正相关的，相反，过多的线程反而会导致CPU 频繁切换，处理性能下降。当我们向固定大小的线程池中请求一个线程时，如果请求非常多，线程池没有空闲资源，如何处理这个请求？就需要用到队列了。

1. 队列

队列很好理解，可以理解为排队买票，先来的买完票就走了，后来的在最后排队。

跟栈不同，先进者先出，后进者后出，这就是典型的"队列"，跟栈相同的是队列也是一种操作受限的线性表数据结构，栈只支持两个基本操作：入栈 Push 和出栈 Pop，队列也支持两个基本操作：入队 enqueue ，出队 dequeue，如下图所示：

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2. 队列的实现

从队列的概念中，我们知道，队列和栈一样，都是抽象的数据结构，具有先进先出，后进后出的特性。

我们有两种实现方式：

• 用数组实现，则为顺序队列
• 用链表实现，则为链式队列

2.1 数组实现队列

// 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;
  }

  // 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;
  }
}

队列的数组实现也挺简单，对于栈来说需要一个栈顶指针就行，因为栈的入栈和出栈都是在一个方向进行。队列则是不同的方向入队和出队，所以需要两个指针：head 指针，指向队头，tail 指针，指向队尾。

如下图，当a b c d 依次入队之后，队列的 head 指针指向下标为 0 的位置，tail 指向下标为 4 的位置：

image.png

当我们调用两次出队操作之后，head 指向下标为 2 的位置，tail 仍然指向下标为 4 的位置：

image.png

如果用数组实现队列的话，会遇到一个问题：插入很多元素之后，队列的空间不够了。
我们可以跟数组一样，用数据搬移，出队一个，就搬移一次，但是这样很耗费时间，想象一下，出队从下标为 0 的位置开始，相当于删除下标为 0 的数据，这样每出队一个数据，就需要搬移整个队列的数据，当然也可以稍微优化一下，就是当 tail 指针指向最后一个位置时，将所有数据都移到下标为 0 开始的位置上，整体进行搬移一次，代码如下：

   // 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;
  }

从代码中看到，当队列的 tail移动到数组最右边时，如果有新的数据入队，可以将 head 到tail 之间的数据，整体搬移到数组 0 到 tail-head的位置：

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2.2 链表实现队列

基于链表实现，head 指针指向链表的第一个节点，tail 指向链表的最后一个节点。
当入队时，我们需要：

tail->next = new_node;
tail = tail->next;

出队时：

head = head->next

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3. 循环队列

顾名思义，就是一个首位相连的队列，在上面用数组实现的队列时，当 tail==n 时，需要对数据做搬移操作，这样性能会受到影响，我们可以让队列的首尾相连，当tail==n的时候，又开始从下标为 0 的地方入队，这就是循环队列，就是一个环了：

image.png

从上图中可以看到，队列大小为 8，目前 head = 4，tail = 7，按照上面数组的实现，我们需要做数据搬移操作了。但是用循环队列的话，我们可以将新的数据 a 放到下标为 7 的位置，将新的数据 b 放到下标为 0 的位置，这样 tail 就指向下标为 1 的位置，如下图：

`

这样我们避免了数据搬移操作，但是判断队列为空，和队列满了的条件时就比较困难了：

• 数组实现的非循环队列

  • 队空条件：tail == n
  • 队满条件：head == tail

• 数组实现的循环队列

  • 队空条件：tail == n
  • 队满条件：(tail + 1) %n = head （需要自己画图理解一下）

image.png
像我图中画的队满的情况，tail=3，head=4，n=8，所以总结一下规律就是：(3+1)%8=4。多画几张队满的图，你就会发现，当队满时，(tail+1)%n=head。

并且当队列满时，tail 指向的位置其实是空的，所以循环队列会浪费一个数组的存储空间。

4. 阻塞队列

阻塞队列就是在队列为空的时候，从队头取数据会被阻塞，因为队列没数据啊，一直等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：

image.png

其实上面的定义就是一个"生产者 - 消费者模型"。基于阻塞队列实现的"生产者 - 消费者模型"，可以有效的协调生产和消费的速度。可以多配置几个“消费者”：

image.png

5. 对于线程资源的处理策略

• 非阻塞处理：直接拒绝任务请求

• 阻塞处理：将请求排队，使用队列方式存储，直到有空闲线程时，取出队首位置的任务执行

• 基于链表的实现：
  可以实现一个支持无线排队的无界队列，但是可能会导致过多的请求无法处理，请求处理的时间较长，所以针对响应时间比较敏感的系统，基于链表实现的无线排队的线程池是不合适的

• 基于数组的实现：
  首先为有界队列，即队列的大小有限，当排队请求超过队列大小时，可以直接拒绝这个请求，对于响应时间敏感的系统来说，相对合理

6. 总结&练习

队列可以用数组实现（顺序队列），可以用链表实现（链式队列），都是先进先出，在数组实现队列的时候，可以实现循环队列，这样就不用数据搬移了。

• 数组实现队列
• 链表实现队列
• 实现循环队列