Java中的5大队列，你知道几个？

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    本文已收录至 https://github.com/vipstone/algorithm 《算法图解》系列。

    通过前面文章的学习《一文详解「队列」，手撸队列的3种方法！》我们知道了队列（Queue）是先进先出（FIFO）的，并且我们可以用数组、链表还有 List 的方式来实现自定义队列，那么本文我们来系统的学习一下官方是如何实现队列的。

    Java 中的队列有很多，例如：ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityQueue、DelayQueue、SynchronousQueue 等，那它们的作用是什么？又是如何分类的呢？

    其实 Java 中的这些队列可以从不同的维度进行分类，例如可以从阻塞和非阻塞进行分类，也可以从有界和无界进行分类，而本文将从队列的功能上进行分类，例如：优先队列、普通队列、双端队列、延迟队列等。

    image.png

    虽然本文的重点是从功能上对队列进行解读，但其它分类也是 Java 中的重要概念，所以我们先来了解一下它们。

    阻塞队列和非阻塞队列

    阻塞队列（Blocking Queue）提供了可阻塞的 put 和 take 方法，它们与可定时的 offer 和 poll 是等价的。如果队列满了 put 方法会被阻塞等到有空间可用再将元素插入；如果队列是空的，那么 take 方法也会阻塞，直到有元素可用。当队列永远不会被充满时，put 方法和 take 方法就永远不会阻塞。

    image.png

    我们可以从队列的名称中知道此队列是否为阻塞队列，阻塞队列中包含 BlockingQueue 关键字，比如以下这些：

    • ArrayBlockingQueue
    • LinkedBlockingQueue
    • PriorityBlockingQueue
    • .......

    阻塞队列功能演示

    接下来我们来演示一下当阻塞队列的容量满了之后会怎样，示例代码如下：

    import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

public class BlockingTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建一个长度为 5 的阻塞队列
        ArrayBlockingQueue q1 = new ArrayBlockingQueue(5);
        
        // 新创建一个线程执行入列
        new Thread(() -> {
            // 循环 10 次
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    q1.put(i);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(new Date() + " | ArrayBlockingQueue Size:" + q1.size());
            }
            System.out.println(new Date() + " | For End.");
        }).start();

        // 新创建一个线程执行出列
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                try {
                    // 休眠 1S
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                if (!q1.isEmpty()) {
                    try {
                        q1.take(); // 出列
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }).start();
    }
}

    以上代码的执行结果如下：

    Mon Oct 19 20:16:12 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:1

    Mon Oct 19 20:16:12 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:2

    Mon Oct 19 20:16:12 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:3

    Mon Oct 19 20:16:12 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:4

    Mon Oct 19 20:16:12 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5

    Mon Oct 19 20:16:13 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5

    Mon Oct 19 20:16:14 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5

    Mon Oct 19 20:16:15 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5

    Mon Oct 19 20:16:16 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5

    Mon Oct 19 20:16:17 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5

    Mon Oct 19 20:16:17 CST 2020 | For End.

    从上述结果可以看出，当 ArrayBlockingQueue 队列满了之后就会进入阻塞，当过了 1 秒有元素从队列中移除之后，才会将新的元素入列。

    非阻塞队列

    非阻塞队列也就是普通队列，它的名字中不会包含 BlockingQueue 关键字，并且它不会包含 put 和 take 方法，当队列满之后如果还有新元素入列会直接返回错误，并不会阻塞的等待着添加元素，如下图所示：
    image.png
    非阻塞队列的典型代表是 ConcurrentLinkedQueue 和 PriorityQueue。

    有界队列和无界队列

    有界队列：是指有固定大小的队列，比如设定了固定大小的 ArrayBlockingQueue，又或者大小为 0 的 SynchronousQueue。
    image.png

    无界队列：指的是没有设置固定大小的队列，但其实如果没有设置固定大小也是有默认值的，只不过默认值是 Integer.MAX_VALUE，当然实际的使用中不会有这么大的容量（超过 Integer.MAX_VALUE），所以从使用者的角度来看相当于 “无界”的。

    image.png

    按功能分类

    接下来就是本文的重点了，我们以功能来划分一下队列，它可以被分为：普通队列、优先队列、双端队列、延迟队列、其他队列等，接下来我们分别来看。

    1.普通队列

    普通队列（Queue）是指实现了先进先出的基本队列，例如 ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue，其中 ArrayBlockingQueue 是用数组实现的普通队列，如下图所示：

    image.png
    而 LinkedBlockingQueue 是使用链表实现的普通队列，如下图所示：

    image.png

    常用方法

    普通队列中的常用方法有以下这些：

    • offer()：添加元素，如果队列已满直接返回 false，队列未满则直接插入并返回 true；
    • poll()：删除并返回队头元素，当队列为空返回 null；
    • add()：添加元素，此方法是对 offer 方法的简单封装，如果队列已满，抛出 IllegalStateException 异常；
    • remove()：直接删除队头元素；
    • put()：添加元素，如果队列已经满，则会阻塞等待插入；
    • take()：删除并返回队头元素，当队列为空，则会阻塞等待；
    • peek()：查询队头元素，但不会进行删除；
    • element()：对 peek 方法进行简单封装，如果队头元素存在则取出并不删除，如果不存在抛出 NoSuchElementException 异常。

    注意：一般情况下 offer() 和 poll() 方法配合使用，put() 和 take() 阻塞方法配合使用，add() 和 remove() 方法会配合使用，程序中常用的是 offer() 和 poll() 方法，因此这两个方法比较友好，不会报错。

    接下来我们以 LinkedBlockingQueue 为例，演示一下普通队列的使用：

    import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

static class LinkedBlockingQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedBlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue();
        queue.offer("Hello");
        queue.offer("Java");
        queue.offer("中文社群");
        while (!queue.isEmpty()) {
            System.out.println(queue.poll());
        }
    }
}

    以上代码的执行结果如下：

    Hello

    Java

    中文社群

    2.双端队列

    双端队列（Deque）是指队列的头部和尾部都可以同时入队和出队的数据结构，如下图所示：
    image.png
    接下来我们来演示一下双端队列 LinkedBlockingDeque 的使用：

    import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;

/**
  * 双端队列示例
  */
static class LinkedBlockingDequeTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个双端队列
        LinkedBlockingDeque deque = new LinkedBlockingDeque();
        deque.offer("offer"); // 插入首个元素
        deque.offerFirst("offerFirst"); // 队头插入元素
        deque.offerLast("offerLast"); // 队尾插入元素
        while (!deque.isEmpty()) {
            // 从头遍历打印
            System.out.println(deque.poll());
        }
    }
}

    以上代码的执行结果如下：

    offerFirst

    offer

    offerLast

    3.优先队列

    优先队列（PriorityQueue）是一种特殊的队列，它并不是先进先出的，而是优先级高的元素先出队。

    优先队列是根据二叉堆实现的，二叉堆的数据结构如下图所示：
    image.png
    二叉堆分为两种类型：一种是最大堆一种是最小堆。以上展示的是最大堆，在最大堆中，任意一个父节点的值都大于等于它左右子节点的值。

    因为优先队列是基于二叉堆实现的，因此它可以将优先级最好的元素先出队。

    接下来我们来演示一下优先队列的使用：

    import java.util.PriorityQueue;

public class PriorityQueueTest {
    // 自定义的实体类
    static class Viper {
        private int id; // id
        private String name; // 名称
        private int level; // 等级

        public Viper(int id, String name, int level) {
            this.id = id;
            this.name = name;
            this.level = level;
        }

        public int getId() {
            return id;
        }

        public void setId(int id) {
            this.id = id;
        }

        public String getName() {
            return name;
        }

        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }

        public int getLevel() {
            return level;
        }

        public void setLevel(int level) {
            this.level = level;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        PriorityQueue queue = new PriorityQueue(10, new Comparator<Viper>() {
            @Override
            public int compare(Viper v1, Viper v2) {
                // 设置优先级规则（倒序，等级越高权限越大）
                return v2.getLevel() - v1.getLevel();
            }
        });
        // 构建实体类
        Viper v1 = new Viper(1, "Java", 1);
        Viper v2 = new Viper(2, "MySQL", 5);
        Viper v3 = new Viper(3, "Redis", 3);
        // 入列
        queue.offer(v1);
        queue.offer(v2);
        queue.offer(v3);
        while (!queue.isEmpty()) {
            // 遍历名称
            Viper item = (Viper) queue.poll();
            System.out.println("Name：" + item.getName() +
                               " Level：" + item.getLevel());
        }
    }
}

    以上代码的执行结果如下：

    Name：MySQL Level：5

    Name：Redis Level：3

    Name：Java Level：1

    从上述结果可以看出，优先队列的出队是不考虑入队顺序的，它始终遵循的是优先级高的元素先出队。

    4.延迟队列

    延迟队列（DelayQueue）是基于优先队列 PriorityQueue 实现的，它可以看作是一种以时间为度量单位的优先的队列，当入队的元素到达指定的延迟时间之后方可出队。

    image.png

    我们来演示一下延迟队列的使用：

    import lombok.Getter;
import lombok.Setter;
import java.text.DateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class CustomDelayQueue {
    // 延迟消息队列
    private static DelayQueue delayQueue = new DelayQueue();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        producer(); // 调用生产者
        consumer(); // 调用消费者
    }

    // 生产者
    public static void producer() {
        // 添加消息
        delayQueue.put(new MyDelay(1000, "消息1"));
        delayQueue.put(new MyDelay(3000, "消息2"));
    }

    // 消费者
    public static void consumer() throws InterruptedException {
        System.out.println("开始执行时间：" +
                DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()));
        while (!delayQueue.isEmpty()) {
            System.out.println(delayQueue.take());
        }
        System.out.println("结束执行时间：" +
                DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()));
    }

    static class MyDelay implements Delayed {
        // 延迟截止时间（单位：毫秒）
        long delayTime = System.currentTimeMillis();
        // 借助 lombok 实现
        @Getter
        @Setter
        private String msg;

        /**
         * 初始化
         * @param delayTime 设置延迟执行时间
         * @param msg       执行的消息
         */
        public MyDelay(long delayTime, String msg) {
            this.delayTime = (this.delayTime + delayTime);
            this.msg = msg;
        }

        // 获取剩余时间
        @Override
        public long getDelay(TimeUnit unit) {
            return unit.convert(delayTime - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
        }

        // 队列里元素的排序依据
        @Override
        public int compareTo(Delayed o) {
            if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) > o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                return 1;
            } else if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) < o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                return -1;
            } else {
                return 0;
            }
        }
        @Override
        public String toString() {
            return this.msg;
        }
    }
}

    以上代码的执行结果如下：

    开始执行时间：2020-10-20 20:17:28

    消息1

    消息2

    结束执行时间：2020-10-20 20:17:31

    从上述结束执行时间和开始执行时间可以看出，消息 1 和消息 2 都正常实现了延迟执行的功能。

    5.其他队列

    在 Java 的队列中有一个比较特殊的队列 SynchronousQueue，它的特别之处在于它内部没有容器，每次进行 put() 数据后（添加数据），必须等待另一个线程拿走数据后才可以再次添加数据，它的使用示例如下：

    import java.util.concurrent.SynchronousQueue;

public class SynchronousQueueTest {

    public static void main(String[] args) {
        SynchronousQueue queue = new SynchronousQueue();

        // 入队
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                try {
                    System.out.println(new Date() + "，元素入队");
                    queue.put("Data " + i);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            }
        }).start();

        // 出队
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println(new Date() + "，元素出队：" + queue.take());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}

    以上代码的执行结果如下：

    Mon Oct 19 21:00:21 CST 2020，元素入队

    Mon Oct 19 21:00:22 CST 2020，元素出队：Data 0

    Mon Oct 19 21:00:22 CST 2020，元素入队

    Mon Oct 19 21:00:23 CST 2020，元素出队：Data 1

    Mon Oct 19 21:00:23 CST 2020，元素入队

    Mon Oct 19 21:00:24 CST 2020，元素出队：Data 2

    从上述结果可以看出，当有一个元素入队之后，只有等到另一个线程将元素出队之后，新的元素才能再次入队。

    总结

    本文讲了 Java 中的 5 种队列：普通队列、双端队列、优先队列、延迟队列、其他队列。其中普通队列的典型代表为 ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue，双端队列的代表为 LinkedBlockingDeque，优先队列的代表为 PriorityQueue，延迟队列的代表为 DelayQueue，最后还讲了内部没有容器的其他队列 SynchronousQueue。

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    image.png

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