Java 集合深入理解（9）：Queue 队列

今天心情不太好，来学一下 List 吧！

什么是队列

队列是数据结构中比较重要的一种类型，它支持 FIFO，尾部添加、头部删除（先进队列的元素先出队列），跟我们生活中的排队类似。

队列有两种：

• 单队列
• 循环队列

单队列就是常见的队列, 每次添加元素时，都是添加到队尾：

以数组实现的队列为例，初始时队列长度固定为 4，font 和 rear 均为 0：

这里写图片描述

每添加一个元素，rear 后移一位。当添加四个元素后， rear 到了索引为 4 的位置：

这里写图片描述

这时 a1,a2 出队，front 后移动到 2：

这里写图片描述

这时想要再添加两个元素，但 rear 后移两位后就会越界：

这里写图片描述

明明有三个空位，却只能再放入一个！这就是单队列的“假溢出”情况。

（上述参考借鉴自 http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/2350）

针对这种情况，解决办法就是后面满了，就再从头开始，也就是头尾相接的循环。这就是 “循环队列” 的概念。

循环队列:

循环队列中， rear = (rear - size) % size

接着上面的例子，当 rear 大于 队列长度时，rear = ( 5 - 5) % 5 = 0 :

这里写图片描述

这样继续添加时，还可以添加几个元素：

这里写图片描述

那如何判断队列是否装满元素了呢，单使用 front == rear 无法判断究竟是空的还是满了。

两种方法：

1. 加个标志 flag ,初始为 false，添加满了置为 true；
2. 不以 front = rear 为放满标志，改为 (rear - front) % size = 1。

法 2 的公式放满元素时空余了一个位置，这个公式是什么意思呢？

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接着上面的情况，当 rear 从后面添加元素跑到前面 0 时，再添加一个元素 a6，rear 后移一位到 1，这时 front = 2, (1 - 2) % 5 = 1, 满足放满条件。

因此，当 rear > font 时，队列中元素个数 = rear - font;

当 rear < font 时，队列中元素分为两部分： size - font 和 rear ,也就是 rear + size - font。以上述图片为例，队列中元素个数 = 1 + 5 - 2 = 4.

这里写图片描述

接着我们介绍 Java 集合框架中的队列 Queue

这里写图片描述

Java 集合中的 Queue 继承自 Collection 接口 ，Deque, LinkedList, PriorityQueue, BlockingQueue 等类都实现了它。

Queue 用来存放 等待处理元素 的集合，这种场景一般用于缓冲、并发访问。

除了继承 Collection 接口的一些方法，Queue 还添加了额外的 添加、删除、查询操作。

这里写图片描述

添加、删除、查询这些个操作都提供了两种形式，其中一种在操作失败时直接抛出异常，而另一种则返回一个特殊的值：

这里写图片描述

Queue 方法介绍：

1.add(E), offer(E) 在尾部添加:

boolean add(E e);

boolean offer(E e);

他们的共同之处是建议实现类禁止添加 null 元素，否则会报空指针 NullPointerException；

不同之处在于 add() 方法在添加失败（比如队列已满）时会报 一些运行时错误 错；而 offer() 方法即使在添加失败时也不会奔溃，只会返回 false。

2016.11.21 添加

注意

Queue 是个接口，它提供的 add, offer 方法初衷是希望子类能够禁止添加元素为 null，这样可以避免在查询时返回 null 究竟是正确还是错误。

事实上大多数 Queue 的实现类的确响应了 Queue 接口的规定，比如 ArrayBlockingQueue，PriorityBlockingQueue 等等。

但还是有一些实现类没有这样要求，比如 LinkedList。

感谢sumsear指出。

2.remove(), poll() 删除并返回头部：

E remove();

E poll();

当队列为空时 remove() 方法会报 NoSuchElementException 错; 而 poll() 不会奔溃，只会返回 null。

3.element(), peek() 获取但不删除：

E element();

E peek();

当队列为空时 element() 抛出异常；peek() 不会奔溃，只会返回 null。

其他

1.虽然 LinkedList 没有禁止添加 null，但是一般情况下 Queue 的实现类都不允许添加 null 元素，为啥呢？因为 poll(), peek() 方法在异常的时候会返回 null，你添加了 null　以后，当获取时不好分辨究竟是否正确返回。

2.Queue 一般都是 FIFO 的，但是也有例外，比如优先队列 priority queue（它的顺序是根据自然排序或者自定义 comparator 的）；再比如 LIFO 的队列（跟栈一样，后来进去的先出去）。

不论进入、出去的先后顺序是怎样的，使用 remove()，poll() 方法操作的都是 头部 的元素；而插入的位置则不一定是在队尾了，不同的 queue 会有不同的插入逻辑。

Thanks

https://docs.oracle.com/javase/tutorial/collections/interfaces/queue.html

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/Queue.html

http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/2350

http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/2351