队列

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先进先出是队列的典型表现，其具有入队和出队两个基本操作。

入队就是放一个数据到队列尾部，出队就是从队列头部取出一个元素。由于其只能从一段进入，另一端出去，所以队列也是一种操作受限的线性表数据结构。

顺序队列和链式队列

用数组实现的队列叫作顺序队列，用链表实现的队列叫作链式队列。

下面这段代码是一个基于数组实现的队列。

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// 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。

下面这幅图中，当 a、b、c、d 依次入队之后，队列中的 head 指针指向下标为 0 的位置，tail 指针指向下标为 4 的位置。

当我们调用两次出队操作之后，队列中 head 指针指向下标为 2 的位置，tail 指针仍然指向下标为 4 的位置。

可以发现，当不断向队列中添加数据，tail 指针会不断向右移动，即使数组中还有空闲空间，也无法往队列中继续添加了。这时候只要对数据进行搬移操作就可以解决这个问题了，具体代码如下：

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 // 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;
}

当队列的 tail 指针移动到数组的最右边后，如果有新的数据入队，我们可以将 head 到 tail 之间的数据，整体搬移到数组中 0 到 tail-head 的位置。

循环队列

用数组来实现队列的时候，在 tail==n 时，会有数据搬移操作，这样入队操作性能就会受到影响。当使用循环队列的话就可以避免数据搬移了。

上图就是一个循环队列。这个队列的大小为 8，当前 head=4，tail=7。当有一个新的元素 a 入队时，我们放入下标为 7 的位置。但这个时候，我们并不把 tail 更新为 8，而是将其在环中后移一位，到下标为 0 的位置。当再有一个元素 b 入队时，我们将 b 放入下标为 0 的位置，然后 tail 加 1 更新为 1。所以，在 a，b 依次入队之后，循环队列中的元素就变成了下面的样子：

通过这样的方法，我们成功避免了数据搬移操作。循环队列功能强大，但是实现难度也大多了，最关键的地方在于要确定好队空和队满的判定条件。

队列为空的判断条件仍然是 head == tail。但队列满的判断条件就稍微有点复杂了。

上图中的队满的情况中，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。当队列满时，图中的 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。

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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;
  }
}

阻塞队列和并发队列

阻塞队列其实就是在队列基础上增加了阻塞操作。简单来说，就是在队列为空的时候，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。

可以发现，这是一个“生产者 - 消费者模型”！通过阻塞队列，我们轻松实现一个“生产者 - 消费者模型”！

这种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。这个时候，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”。

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，来提高数据的处理效率。比如可以多配置几个“消费者”，来应对一个“生产者”。

线程安全的队列我们叫作并发队列。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。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。

队列在线程池中的应用

当线程池没有空闲线程时，新的任务请求线程资源时，线程池该如何处理呢？

我们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。

队列有基于链表和数组两种实现方式，这两种实现方式对于排队请求的影响是不同的。

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，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；而基于数组实现的有界队列，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。

除了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。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。

内容小结

队列最大的特点就是先进先出，主要的两个操作是入队和出队。它既可以用数组来实现，也可以用链表来实现。用数组实现的叫顺序队列，用链表实现的叫链式队列。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，我们就需要像环一样的循环队列。循环队列的代码实现关键在于要确定好队空和队满的判定条件。

阻塞队列就是入队、出队操作可以阻塞，并发队列就是队列的操作多线程安全。