Java 面试系列:数据结构之队列的使用 + 面试题

队列(Queue):与栈相对的一种数据结构, 集合(Collection)的一个子类。队列允许在一端进行插入操作,而在另一端进行删除操作的线性表,栈的特点是后进先出,而队列的特点是先进先出。队列的用处很大,比如实现消息队列。

Queue 类关系图,如下图所示:

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注:为了让读者更直观地理解,上图为精简版的 Queue 类关系图。本文如无特殊说明,内容都是基于 Java 1.8 版本。

队列(Queue)

1)Queue 分类

从上图可以看出 Queue 大体可分为以下三类。

  • 双端队列:双端队列(Deque)是 Queue 的子类也是 Queue 的补充类,头部和尾部都支持元素插入和获取。
  • 阻塞队列:阻塞队列指的是在元素操作时(添加或删除),如果没有成功,会阻塞等待执行。例如,当添加元素时,如果队列元素已满,队列会阻塞等待直到有空位时再插入。
  • 非阻塞队列:非阻塞队列和阻塞队列相反,会直接返回操作的结果,而非阻塞等待。双端队列也属于非阻塞队列。

2)Queue 方法说明

Queue 方法如下图所示:

avatar

其中比较常用的方法有以下几个:

  • add(E):添加元素到队列尾部,成功返回 true,队列超出时抛出异常;
  • offer(E):添加元素到队列尾部,成功返回 true,队列超出时返回 false;
  • remove(Object):删除元素,成功返回 true,失败返回 false;
  • poll():获取并移除此队列的第一个元素,若队列为空,则返回 null;
  • peek():获取但不移除此队列的第一个元素,若队列为空,则返回 null;
  • element():获取但不移除此队列的第一个元素,若队列为空,则抛异常。

3)Queue 使用实例

Queue<String> linkedList = new LinkedList<>();
linkedList.add("Dog");
linkedList.add("Camel");
linkedList.add("Cat");
while (!linkedList.isEmpty()) {
    System.out.println(linkedList.poll());
}

程序执行结果:

Dog

Camel

Cat

阻塞队列

1)BlockingQueue

BlockingQueue 在 java.util.concurrent 包下,其他阻塞类都实现自 BlockingQueue 接口,BlockingQueue 提供了线程安全的队列访问方式,当向队列中插入数据时,如果队列已满,线程则会阻塞等待队列中元素被取出后再插入;当从队列中取数据时,如果队列为空,则线程会阻塞等待队列中有新元素再获取。

BlockingQueue 核心方法

插入方法:

  • add(E):添加元素到队列尾部,成功返回 true,队列超出时抛出异常;
  • offer(E):添加元素到队列尾部,成功返回 true,队列超出时返回 false ;
  • put(E):将元素插入到队列的尾部,如果该队列已满,则一直阻塞。 删除方法:
  • remove(Object):移除指定元素,成功返回 true,失败返回 false;
  • poll(): 获取并移除队列的第一个元素,如果队列为空,则返回 null;
  • take():获取并移除队列第一个元素,如果没有元素则一直阻塞。 检查方法:
  • peek():获取但不移除队列的第一个元素,若队列为空,则返回 null。

2)LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue 是一个由链表实现的有界阻塞队列,容量默认值为 Integer.MAX_VALUE,也可以自定义容量,建议指定容量大小,默认大小在添加速度大于删除速度情况下有造成内存溢出的风险,LinkedBlockingQueue 是先进先出的方式存储元素。

3)ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue 是一个有边界的阻塞队列,它的内部实现是一个数组。它的容量是有限的,我们必须在其初始化的时候指定它的容量大小,容量大小一旦指定就不可改变。

ArrayBlockingQueue 也是先进先出的方式存储数据,ArrayBlockingQueue 内部的阻塞队列是通过重入锁 ReenterLock 和 Condition 条件队列实现的,因此 ArrayBlockingQueue 中的元素存在公平访问与非公平访问的区别,对于公平访问队列,被阻塞的线程可以按照阻塞的先后顺序访问队列,即先阻塞的线程先访问队列。而非公平队列,当队列可用时,阻塞的线程将进入争夺访问资源的竞争中,也就是说谁先抢到谁就执行,没有固定的先后顺序。

示例代码如下:

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