我們知道，CPU資源是有限的，任務(wù)的處理速度與線程個(gè)數(shù)并不是線性正相關(guān)的。相反，過多的線程反而會(huì)導(dǎo)致CPU頻繁切換，處理性能下降。所以，線程池的大小一般都是綜合考慮要處理任務(wù)的特點(diǎn)和硬件環(huán)境，來事先設(shè)置的。

當(dāng)我們向固定大小的線程池中請(qǐng)求一個(gè)線程時(shí)，如果線程池沒有空閑資源了，這個(gè)時(shí)候線程池如何處理這個(gè)請(qǐng)求？是拒絕請(qǐng)求還是排隊(duì)請(qǐng)求？各種處理策略又是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

實(shí)際上，這些問題并不復(fù)雜，其底層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是我們今天要學(xué)的內(nèi)容，隊(duì)列（queue）。

如果理解“隊(duì)列”

隊(duì)列這個(gè)概念非常好理解。你可以把它想象成排隊(duì)買票，先來的先買，后來的人只能站末尾，不允許插隊(duì)。先進(jìn)來先出，這就是典型的“隊(duì)列”。

我們知道，棧只支持兩個(gè)基本操作：入棧push()和出棧pop()。隊(duì)列跟棧非常相似，支持的操作也很有限，最基本的操作也是兩個(gè)：入隊(duì)enqueue()，放一個(gè)數(shù)據(jù)到隊(duì)列尾部；出列dequeue(),從隊(duì)列頭部取一個(gè)元素。

所以，隊(duì)列跟棧一樣，也是一種操作受限的線性表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

隊(duì)列的概念很好理解，基本操作也很容易掌握。作為一種非常基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，隊(duì)列的應(yīng)用也非常廣泛，特別是一些具有某些額外特性的隊(duì)列，比如循環(huán)隊(duì)列，阻塞隊(duì)列，并發(fā)隊(duì)列。他們?cè)诤芏嗥讓酉到y(tǒng)，框架，中間件的開發(fā)中，起著關(guān)鍵性的作用。比如高性能隊(duì)列Disruptor,Linux環(huán)形緩存，都用到循環(huán)并發(fā)隊(duì)列；Java concurrent并發(fā)包利用ArrayBlockingQueue來實(shí)現(xiàn)公平鎖。

順序隊(duì)列和鏈?zhǔn)疥?duì)列

我們知道了，隊(duì)列和棧一樣，也是一種抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它具有先進(jìn)先出的特性，支持在隊(duì)尾插入元素，在對(duì)頭刪除元素，那究竟該如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)隊(duì)列呢？

跟棧一樣，隊(duì)列可以用數(shù)組來實(shí)現(xiàn)，也可以用鏈表來實(shí)現(xiàn)。用數(shù)組實(shí)現(xiàn)的棧叫順序棧，用鏈表實(shí)現(xiàn)的棧叫鏈?zhǔn)綏?。同?#xff0c;用數(shù)組實(shí)現(xiàn)的隊(duì)列叫作順序隊(duì)列，用鏈表實(shí)現(xiàn)的隊(duì)列叫作鏈?zhǔn)疥?duì)列。

我們先來看下基于數(shù)組的實(shí)現(xiàn)方法。我用java語言實(shí)現(xiàn)了一下，不過并不包含Java語言的高級(jí)語法，而且我做了比較詳細(xì)的注釋，你應(yīng)該可以看懂。

//用數(shù)組實(shí)現(xiàn)的隊(duì)列

比起棧的數(shù)組實(shí)現(xiàn)，隊(duì)列的數(shù)組實(shí)現(xiàn)稍微有點(diǎn)兒復(fù)雜，但是沒關(guān)系。我稍微解釋一下實(shí)現(xiàn)思路，你很容易就能明白了。

對(duì)于棧來說，我們只需要一個(gè)棧頂指針就可以了。但是隊(duì)列需要兩個(gè)指針：一個(gè)是head指針，指向?qū)︻^；一個(gè)是tail指針，指向隊(duì)尾。

你可以結(jié)合下面這幅圖來理解。當(dāng)a，b，c，d依次入隊(duì)之后，隊(duì)列中的head指針指向下標(biāo)為0的位置，tail指針指向下標(biāo)為4的位置。

當(dāng)我們調(diào)用兩次出隊(duì)操作之后，隊(duì)列中head指針指向下標(biāo)為2的位置，tail指針仍然指向下標(biāo)為4的位置。

你肯定已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，隨著不停地進(jìn)行入隊(duì)，出隊(duì)操作，head和tail都會(huì)持續(xù)往后移動(dòng)。當(dāng)tail移動(dòng)到最右邊，即使數(shù)組中還有空閑空間，也無法繼續(xù)往隊(duì)列中添加數(shù)據(jù)了。這個(gè)問題該如何解決呢？

你是否還記得，在數(shù)組那一節(jié)，我們也遇到過類似的問題，就是數(shù)組的刪除操作會(huì)導(dǎo)致數(shù)組中的數(shù)組不連續(xù)。你還記得我們當(dāng)時(shí)是怎么解決的嗎？對(duì)用數(shù)據(jù)搬移！但是，每次進(jìn)行出隊(duì)操作都相當(dāng)于刪除數(shù)組下標(biāo)為0的數(shù)據(jù)，要搬移整個(gè)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，這樣出隊(duì)操作的時(shí)間復(fù)雜度就會(huì)從原來的O(1)變成O(n)。能不能優(yōu)化一下呢？

實(shí)際上，我們?cè)诔鲫?duì)時(shí)可以不用搬移數(shù)據(jù)。如果沒有空閑空間了，我們只需要在入隊(duì)時(shí)，再集中觸發(fā)一次數(shù)據(jù)的搬移操作。借助這個(gè)思想，出隊(duì)函數(shù)dequeue()保持不變，我們稍加改造一下函數(shù)enqueue()的實(shí)現(xiàn)，就可以輕松解決剛才的問題了。

下面是具體的代碼：

//入隊(duì)操作，將item放入隊(duì)尾

從代碼中我們看到，當(dāng)隊(duì)列的tail指針移動(dòng)到數(shù)組的最右邊后，如果有新的數(shù)據(jù)入隊(duì)，我們可以將head到tail之間的數(shù)據(jù)，整體搬移到數(shù)組中0到tail-head的位置。

這種實(shí)現(xiàn)思路中，出隊(duì)操作的時(shí)間復(fù)雜度仍然是O(1),但入隊(duì)操作的時(shí)間復(fù)雜度還是O(1)嗎？你可以用我們第3節(jié)，第4節(jié)講的算法復(fù)雜度分析方法，自己試著分析一下。

接下來，我們?cè)賮砜聪禄阪湵淼年?duì)列實(shí)現(xiàn)方法。

基于鏈表的實(shí)現(xiàn)，我們同樣需要兩個(gè)指針：head指針和tail指針。他們分別指向鏈表的第一個(gè)結(jié)點(diǎn)和最后一個(gè)結(jié)點(diǎn)。如圖所示，入隊(duì)是，tail->next=new_node,tail = tail->next;出隊(duì)時(shí)，head = head->next。

循環(huán)隊(duì)列

我們剛才用數(shù)組來實(shí)現(xiàn)隊(duì)列的時(shí)候，在tail == n時(shí)，會(huì)有數(shù)據(jù)搬移操作，這樣入隊(duì)操作性能就會(huì)收到影響。那有沒有辦法能夠避免數(shù)據(jù)搬移呢？我們來看看循環(huán)隊(duì)列的解決思路。

循環(huán)隊(duì)列，顧名思義，它長(zhǎng)得像一個(gè)環(huán)。原本數(shù)組是有頭有尾的，是一條直線?，F(xiàn)在我們把首尾相連，扳成了一個(gè)環(huán)。我畫了一張圖，你可以直觀地感受一下。

我們可以看到，圖中這個(gè)隊(duì)列的大小為8，當(dāng)前head=4,tail=7。當(dāng)有一個(gè)新的元素a入隊(duì)時(shí)，我們放入下標(biāo)為7的位置。但這個(gè)時(shí)候，我們并不把tail更新為8，而是將其在環(huán)中后移一位，到下標(biāo)為0的位置。當(dāng)再有一個(gè)元素b入隊(duì)時(shí)，我們將b放入下標(biāo)為0的位置，然后tail加1更新為1。所以，在a,b依次入隊(duì)之后，循環(huán)隊(duì)列中的元素就變成了下面的樣子：

通過這樣的方法，我們成功避免了數(shù)據(jù)搬移操作?？雌饋聿浑y理解，但是循環(huán)隊(duì)列的代碼實(shí)現(xiàn)難度要比前面講的非循環(huán)隊(duì)列難多了。要想寫出沒有bug的循環(huán)隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)代碼，我個(gè)人覺得，最關(guān)鍵的是，確定好對(duì)空和隊(duì)滿的判定條件。

在用數(shù)組實(shí)現(xiàn)的非循環(huán)隊(duì)列中，隊(duì)滿的判斷條件是tail ==n,隊(duì)空的判斷條件是head==tail。那針對(duì)循環(huán)隊(duì)列，如何判斷隊(duì)空和隊(duì)滿呢？

隊(duì)列為空的判斷條件仍然是head == tail。但隊(duì)列滿的判斷條件就稍微有點(diǎn)復(fù)雜了。我畫了一張隊(duì)列滿的圖，你可以看一下，試著總結(jié)一下規(guī)律。

就像我圖中畫的隊(duì)滿的情況，tail=3,head=4,n=8,所以總結(jié)一下規(guī)律就是：（3+1）%8=4。

多畫幾張隊(duì)滿 的圖，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隊(duì)滿時(shí)，(tail+1)%n=head。

你有沒有發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隊(duì)列滿時(shí)，圖中的tail指向的位置實(shí)際上是沒有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。所以，循環(huán)隊(duì)列會(huì)浪費(fèi)一個(gè)數(shù)組的存儲(chǔ)空間。

Taik is cheap,如果還是沒怎么理解，那就show 有code吧。

public

阻塞隊(duì)列和并發(fā)隊(duì)列

前面講的內(nèi)容理論比較多，看起來很難跟實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)扯上關(guān)系。確實(shí)，隊(duì)列這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很基礎(chǔ)，平時(shí)的業(yè)務(wù)開發(fā)不大可能從零實(shí)現(xiàn)一個(gè)隊(duì)列，甚至都不會(huì)直接用到。而一些具有特殊特性的隊(duì)列應(yīng)用卻比較廣泛，比如阻塞隊(duì)列和并發(fā)隊(duì)列。

阻塞隊(duì)列其實(shí)就是在隊(duì)列基礎(chǔ)上增加了阻塞操作。簡(jiǎn)單來說，就是在隊(duì)列為空的時(shí)候，從隊(duì)頭取數(shù)據(jù)會(huì)被阻塞。因?yàn)榇藭r(shí)還沒有數(shù)據(jù)可取，直到隊(duì)列中有了數(shù)據(jù)才能返回；如果隊(duì)列已經(jīng)滿了，那么插入數(shù)據(jù)的操作就會(huì)阻塞，直到隊(duì)列中有空閑位置后再插入數(shù)據(jù)，然后再返回。

你應(yīng)該已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，上述的定義就是一個(gè)“生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型！”是的，我們可以使用阻塞隊(duì)列，輕松實(shí)現(xiàn)一個(gè)“生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型”！

這種基于阻塞隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的“生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型”，可以有效地協(xié)調(diào)生產(chǎn)和消費(fèi)的速度。當(dāng)“生產(chǎn)者”生產(chǎn)數(shù)據(jù)的速度過快，“消費(fèi)者”來不及消費(fèi)時(shí)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的隊(duì)列很快就會(huì)滿了。這個(gè)時(shí)候，生產(chǎn)者阻塞等待，知道“消費(fèi)者”消費(fèi)了數(shù)據(jù)，“生產(chǎn)者”才會(huì)被喚醒繼續(xù)“生產(chǎn)”。

而且不僅如此，基于阻塞隊(duì)列，我們還可以通過協(xié)調(diào)“生產(chǎn)者”和“消費(fèi)者”的個(gè)數(shù)，來提高數(shù)據(jù)的處理效率。比如前面的例子，我們可以配置幾個(gè)“消費(fèi)者”，來應(yīng)對(duì)一個(gè)“生產(chǎn)者”。

前面我們講了阻塞隊(duì)列，在多線程情況下，會(huì)有多個(gè)線程同時(shí)操作隊(duì)列，這個(gè)時(shí)候就會(huì)存在線程安全問題，那如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程安全的隊(duì)列呢？

線程安全的隊(duì)列我們叫作并發(fā)隊(duì)列。最簡(jiǎn)單直接的實(shí)現(xiàn)方式是直接在enqueue(),dequeue()方法上加鎖，但是鎖粒度大并發(fā)度會(huì)比較低，同一時(shí)刻僅允許一個(gè)存或者取操作。實(shí)際上，基于數(shù)組的循環(huán)隊(duì)列，利用CAS原子操作，可以實(shí)現(xiàn)非常高效的并發(fā)隊(duì)列。這個(gè)也是循環(huán)隊(duì)列比鏈?zhǔn)疥?duì)列應(yīng)用更加廣泛的原因。在實(shí)戰(zhàn)篇講Disruptor的時(shí)候，我會(huì)再詳細(xì)講并發(fā)隊(duì)列的應(yīng)用。

解答開篇

隊(duì)列的知識(shí)就講完了，我們現(xiàn)在回過來看下開篇的問題。線程池沒有空閑線程時(shí)，新的任務(wù)請(qǐng)求線程資源時(shí)，線程池該如何處理？各種處理策略又是如何現(xiàn)實(shí)的呢？

我們一般有兩種處理策略。第一種是非阻塞的處理方式，直接拒絕任務(wù)請(qǐng)求；另一種是阻塞的處理方法，將請(qǐng)求排隊(duì)，等到有空閑線程時(shí)，取出排隊(duì)的請(qǐng)求繼續(xù)處理。那如何存儲(chǔ)排隊(duì)的請(qǐng)求呢？

我們希望公平地處理每個(gè)排隊(duì)的請(qǐng)求，先進(jìn)者先服務(wù)，所以隊(duì)列這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很適合來存儲(chǔ)排隊(duì)請(qǐng)求。我們前面說過，隊(duì)列有基于鏈表和基于數(shù)組這兩種實(shí)現(xiàn)方式。這兩種實(shí)現(xiàn)方式對(duì)于排隊(duì)請(qǐng)求又有什么區(qū)別呢？

基于鏈表的實(shí)現(xiàn)方式，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)支持無限排隊(duì)的無界隊(duì)列（unbounded queue）,但是可能會(huì)導(dǎo)致過多的請(qǐng)求排隊(duì)等待，請(qǐng)求處理的響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)。所以，針對(duì)響應(yīng)時(shí)間比較敏感的系統(tǒng)，基于鏈表實(shí)現(xiàn)的無限排隊(duì)的線程池是不合適的。

而基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)的有界隊(duì)列（bounded queue）,隊(duì)列的大小有限，所以線程池中隊(duì)列的請(qǐng)求超過隊(duì)列大小時(shí)，接下來的請(qǐng)求就會(huì)被拒絕，這種方式對(duì)響應(yīng)敏感的系統(tǒng)來說，就相對(duì)更加合理。不過，設(shè)置一個(gè)合理的隊(duì)列大小，也是非常有講究的。隊(duì)列太大導(dǎo)致等待的請(qǐng)求太多，隊(duì)列太小會(huì)導(dǎo)致無法充分利用系統(tǒng)資源，發(fā)揮最大性能。

除了前面講到隊(duì)列應(yīng)用在線程池請(qǐng)求隊(duì)列的場(chǎng)景之外，隊(duì)列可以應(yīng)用在任何有限資源池中，用于排隊(duì)請(qǐng)求，比如數(shù)據(jù)庫連接池等。實(shí)際上，對(duì)于大部分資源有限的場(chǎng)景，當(dāng)沒有空閑資源時(shí)，基本上都可以通過“隊(duì)列”這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求排隊(duì)。

內(nèi)容小結(jié)

今天我們講 了一種跟棧很相似的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，隊(duì)列。關(guān)于隊(duì)列，你能掌握下面的內(nèi)容，這節(jié)就沒問題了。

隊(duì)列最大的特點(diǎn)就是先進(jìn)先出，主要的兩個(gè)操作是入隊(duì)和出隊(duì)。跟棧一樣，它既可以用數(shù)組來實(shí)現(xiàn)，也可以用鏈表來實(shí)現(xiàn)。用數(shù)組實(shí)現(xiàn)的叫順序隊(duì)列，用鏈表實(shí)現(xiàn)的叫鏈?zhǔn)疥?duì)列。特別是長(zhǎng)得像一個(gè)環(huán)的循環(huán)隊(duì)列。在數(shù)組實(shí)現(xiàn)隊(duì)列的時(shí)候，會(huì)有數(shù)組搬移操作，要想解決數(shù)據(jù)搬移的問題，我們就需要像環(huán)一樣的循環(huán)隊(duì)列。

循環(huán)隊(duì)列是我們這節(jié)的重點(diǎn)。要想寫出沒有bug的循環(huán)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)代碼，關(guān)鍵要確定好隊(duì)空和隊(duì)滿的判定條件，具體的代碼你要能寫出來。

除此之外，我們還講了幾種高級(jí)隊(duì)列結(jié)構(gòu)，阻塞隊(duì)列，并發(fā)隊(duì)列，底層都還是隊(duì)列這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，只不過在之上附加了很多其他功能。阻塞隊(duì)列就是入隊(duì)，出隊(duì)操作可以阻塞，并發(fā)隊(duì)列就是隊(duì)列的操作多線程安全。

參考文獻(xiàn)

王爭(zhēng)老師 《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法之美》

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的环形队列出队的元素怎么输出出来_队列：队列在线程池等有限资源池中的应用...的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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