各位志同道合的朋友們大家好，我是一個一直在一線互聯網踩坑十餘年的編碼愛好者，現在將我們的各種經驗以及架構實戰分享出來，如果大家喜歡，就關注我，一起將技術學深學透，我會每一篇分享結束都會預告下一專題
隊列（Queue）：與棧相對的一種數據結構， 集合（Collection）的一個子類。隊列允許在一端進行插入操作，而在另一端進行刪除操作的線性表，棧的特點是後進先出，而隊列的特點是先進先出。隊列的用處很大，比如實現消息隊列。
Queue 類關係圖，如下圖所示：
注：為了讓讀者更直觀地理解，上圖為精簡版的 Queue 類關係圖。本文如無特殊說明，內容都是基於 Java 1.8 版本。
隊列（Queue）
1）Queue 分類
從上圖可以看出 Queue 大體可分為以下三類。
- 雙端隊列：雙端隊列（Deque）是 Queue 的子類也是 Queue 的補充類，頭部和尾部都支持元素插入和獲取。
- 阻塞隊列：阻塞隊列指的是在元素操作時（添加或刪除），如果沒有成功，會阻塞等待執行。例如，當添加元素時，如果隊列元素已滿，隊列會阻塞等待直到有空位時再插入。
- 非阻塞隊列：非阻塞隊列和阻塞隊列相反，會直接返回操作的結果，而非阻塞等待。雙端隊列也屬於非阻塞隊列。
2）Queue 方法說明
Queue 常用方法，如下圖所示：
方法說明：
- add(E)：添加元素到隊列尾部，成功返回 true
- offer(E)：添加元素到隊列尾部，成功返回 true
- remove()：刪除元素，成功返回 true，失敗返回 false
- poll()：獲取並移除此隊列的第一個元素，若隊列為空，則返回 null
- peek()：獲取但不移除此隊列的第一個元素，若隊列為空，則返回 null
- element()：獲取但不移除此隊列的第一個元素，若隊列為空，則拋異常
3）Queue 使用實例
<code>Queue<string> linkedList = new LinkedList<>();
linkedList.add("Dog");
linkedList.add("Camel");
linkedList.add("Cat");
while (!linkedList.isEmpty()) {
System.out.println(linkedList.poll());
}/<string>/<code>
程序執行結果：
Dog
Camel
Cat
阻塞隊列
1）BlockingQueue
BlockingQueue 在 java.util.concurrent 包下，其他阻塞類都實現自 BlockingQueue 接口，BlockingQueue 提供了線程安全的隊列訪問方式，當向隊列中插入數據時，如果隊列已滿，線程則會阻塞等待隊列中元素被取出後再插入；當從隊列中取數據時，如果隊列為空，則線程會阻塞等待隊列中有新元素再獲取。
BlockingQueue 核心方法
插入方法：
- add(E)：添加元素到隊列尾部，成功返回 true
- offer(E)：添加元素到隊列尾部，成功返回 true
- put(E)：將元素插入到隊列的尾部，如果該隊列已滿，則一直阻塞
刪除方法：
- remove(Object)：移除指定元素，成功返回 true，失敗返回 false
- poll()： 獲取並移除隊列的第一個元素，如果隊列為空，則返回 null
- take()：獲取並移除隊列第一個元素，如果沒有元素則一直阻塞
檢查方法：
- peek()：獲取但不移除隊列的第一個元素，若隊列為空，則返回 null
2）LinkedBlockingQueue
LinkedBlockingQueue 是一個由鏈表實現的有界阻塞隊列，容量默認值為 Integer.MAX_VALUE，也可以自定義容量，建議指定容量大小，默認大小在添加速度大於刪除速度情況下有造成內存溢出的風險，LinkedBlockingQueue 是先進先出的方式存儲元素。
3）ArrayBlockingQueue
ArrayBlockingQueue 是一個有邊界的阻塞隊列，它的內部實現是一個數組。它的容量是有限的，我們必須在其初始化的時候指定它的容量大小，容量大小一旦指定就不可改變。
ArrayBlockingQueue 也是先進先出的方式存儲數據，ArrayBlockingQueue 內部的阻塞隊列是通過重入鎖 ReenterLock 和 Condition 條件隊列實現的，因此 ArrayBlockingQueue 中的元素存在公平訪問與非公平訪問的區別，對於公平訪問隊列，被阻塞的線程可以按照阻塞的先後順序訪問隊列，即先阻塞的線程先訪問隊列。而非公平隊列，當隊列可用時，阻塞的線程將進入爭奪訪問資源的競爭中，也就是說誰先搶到誰就執行，沒有固定的先後順序。
示例代碼如下：
<code>// 默認非公平阻塞隊列
ArrayBlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(6);
// 公平阻塞隊列
ArrayBlockingQueue queue2 = new ArrayBlockingQueue(6,true);
// ArrayBlockingQueue 源碼展示
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
this(capacity, false);
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
lock = new ReentrantLock(fair);
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}/<code>
4）DelayQueue
DelayQueue 是一個支持延時獲取元素的無界阻塞隊列，隊列中的元素必須實現 Delayed 接口，在創建元素時可以指定延遲時間，只有到達了延遲的時間之後，才能獲取到該元素。
實現了 Delayed 接口必須重寫兩個方法 ，getDelay(TimeUnit) 和 compareTo(Delayed)，如下代碼所示：
<code>class DelayElement implements Delayed {
@Override
// 獲取剩餘時間
public long getDelay(TimeUnit unit) {
// do something
}
@Override
// 隊列裡元素的排序依據
public int compareTo(Delayed o) {
// do something
}
}/<code> DelayQueue 使用的完整示例，請參考以下代碼：
<code>public class DelayTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
DelayQueue delayQueue = new DelayQueue();
delayQueue.put(new DelayElement(1000));
delayQueue.put(new DelayElement(3000));
delayQueue.put(new DelayElement(5000));
System.out.println("開始時間：" + DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()));
while (!delayQueue.isEmpty()){
System.out.println(delayQueue.take());
}
System.out.println("結束時間：" + DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()));
}
static class DelayElement implements Delayed {
// 延遲截止時間（單面：毫秒）
long delayTime = System.currentTimeMillis();
public DelayElement(long delayTime) {
this.delayTime = (this.delayTime + delayTime);
}
@Override
// 獲取剩餘時間
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(delayTime - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
}
@Override
// 隊列裡元素的排序依據
public int compareTo(Delayed o) {
if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) > o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)) {
return 1;
} else if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) return -1;
} else {
return 0;
}
}
@Override
public String toString() {
return DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date(delayTime));
}
}
}/<code> 程序執行結果：
開始時間：2019-6-13 20:40:38
2019-6-13 20:40:39
2019-6-13 20:40:41
2019-6-13 20:40:43
結束時間：2019-6-13 20:40:43
非阻塞隊列
ConcurrentLinkedQueue 是一個基於鏈接節點的無界線程安全隊列，它採用先進先出的規則對節點進行排序，當我們添加一個元素的時候，它會添加到隊列的尾部；當我們獲取一個元素時，它會返回隊列頭部的元素。
它的入隊和出隊操作均利用 CAS（Compare And Set）更新，這樣允許多個線程併發執行，並且不會因為加鎖而阻塞線程，使得併發性能更好。
ConcurrentLinkedQueue 使用示例：
<code>ConcurrentLinkedQueue concurrentLinkedQueue = new ConcurrentLinkedQueue();
concurrentLinkedQueue.add("Dog");
concurrentLinkedQueue.add("Cat");
while (!concurrentLinkedQueue.isEmpty()) {
System.out.println(concurrentLinkedQueue.poll());
}/<code>
執行結果：
Dog
Cat
可以看出不管是阻塞隊列還是非阻塞隊列，使用方法都是類似的，區別是底層的實現方式。
優先級隊列
PriorityQueue 一個基於優先級堆的無界優先級隊列。優先級隊列的元素按照其自然順序進行排序，或者根據構造隊列時提供的 Comparator 進行排序，具體取決於所使用的構造方法。優先級隊列不允許使用 null 元素。
PriorityQueue 代碼使用示例：
<code>Queue<integer> priorityQueue = new PriorityQueue(new Comparator<integer>() {
@Override
public int compare(Integer o1, Integer o2) {
// 非自然排序，數字倒序
return o2 - o1;
}
});
priorityQueue.add(3);
priorityQueue.add(1);
priorityQueue.add(2);
while (!priorityQueue.isEmpty()) {
Integer i = priorityQueue.poll();
System.out.println(i);
}/<integer>/<integer>/<code> 程序執行的結果是：
3
2
1
PriorityQueue 注意的點：
- PriorityQueue 是非線程安全的，在多線程情況下可使用 PriorityBlockingQueue 類替代；
- PriorityQueue 不允許插入 null 元素。
相關面試題
1.ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue 的區別是什麼？
答：ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue 都實現自阻塞隊列 BlockingQueue，它們的區別主要體現在以下幾個方面：
- ArrayBlockingQueue 使用時必須指定容量值，LinkedBlockingQueue 可以不用指定；
- ArrayBlockingQueue 的最大容量值是使用時指定的，並且指定之後就不允許修改；而 LinkedBlockingQueue 最大的容量為 Integer.MAX_VALUE；
- ArrayBlockingQueue 數據存儲容器是採用數組存儲的；而 LinkedBlockingQueue 採用的是 Node 節點存儲的。
2.LinkedList 中 add() 和 offer() 有什麼關係？
答：add() 和 offer() 都是添加元素到隊列尾部。offer 方法是基於 add 方法實現的，Offer 的源碼如下：
<code>public boolean offer(E e) {
return add(e);
}/<code>3.Queue 和 Deque 有什麼區別？
答：Queue 屬於一般隊列，Deque 屬於雙端隊列。一般隊列是先進先出，也就是隻有先進的才能先出；而雙端隊列則是兩端都能插入和刪除元素。
4.LinkedList 屬於一般隊列還是雙端隊列？
答：LinkedList 實現了 Deque 屬於雙端隊列，因此擁有 addFirst(E)、addLast(E)、getFirst()、getLast() 等方法。
5.以下說法錯誤的是？
A：DelayQueue 內部是基於 PriorityQueue 實現的B：PriorityBlockingQueue 不是先進先出的數據存儲方式C：LinkedBlockingQueue 默認容量是無限大的D：ArrayBlockingQueue 內部的存儲單元是數組，初始化時必須指定隊列容量
答：C
題目解析：LinkedBlockingQueue 默認容量是 Integer.MAX_VALUE，並不是無限大的。
6.關於 ArrayBlockingQueue 說法不正確的是？
A：ArrayBlockingQueue 是線程安全的B：ArrayBlockingQueue 元素允許為 nullC：ArrayBlockingQueue 主要應用場景是“生產者-消費者”模型D：ArrayBlockingQueue 必須顯示地設置容量
答：B
題目解析：ArrayBlockingQueue 不允許元素為 null，如果添加一個 null 元素，會拋 NullPointerException 異常。
7.以下程序執行的結果是什麼？
<code>PriorityQueue priorityQueue = new PriorityQueue();
priorityQueue.add(null);
System.out.println(priorityQueue.size());/<code>
答：程序執行報錯，PriorityQueue 不能插入 null。
8.Java 中常見的阻塞隊列有哪些？
答：Java 中常見的阻塞隊列如下：
- ArrayBlockingQueue，由數組結構組成的有界阻塞隊列；
- PriorityBlockingQueue，支持優先級排序的無界阻塞隊列；
- SynchronousQueue，是一個不存儲元素的阻塞隊列，會直接將任務交給消費者，必須等隊列中的添加元素被消費後才能繼續添加新的元素；
- LinkedBlockingQueue，由鏈表結構組成的阻塞隊列；
- DelayQueue，支持延時獲取元素的無界阻塞隊列。
9.有界隊列和無界隊列有哪些區別？
答：有界隊列和無界隊列的區別如下。
- 有界隊列：有固定大小的隊列叫做有界隊列，比如：new ArrayBlockingQueue(6)，6 就是隊列的大小。
- 無界隊列：指的是沒有設置固定大小的隊列，這些隊列的特點是可以直接入列，直到溢出。它們並不是真的無界，它們最大值通常為 Integer.MAX_VALUE，只是平常很少能用到這麼大的容量（超過 Integer.MAX_VALUE），因此從使用者的體驗上，就相當於 “無界”。
10.如何手動實現一個延遲消息隊列？
答：說到延遲消息隊列，我們應該可以第一時間想到要使用 DelayQueue 延遲隊列來解決這個問題。實現思路，消息隊列分為生產者和消費者，生產者用於增加消息，消費者用於獲取並消費消息，我們只需要生產者把消息放入到 DelayQueue 隊列並設置延遲時間，消費者循環使用 take() 阻塞獲取消息即可。完整的實現代碼如下：
<code>public class CustomDelayQueue {
// 消息編號
static AtomicInteger MESSAGENO = new AtomicInteger(1);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
DelayQueue<delayedelement> delayQueue = new DelayQueue<>();
// 生產者1
producer(delayQueue, "生產者1");
// 生產者2
producer(delayQueue, "生產者2");
// 消費者
consumer(delayQueue);
}
//生產者
private static void producer(DelayQueue<delayedelement> delayQueue, String name) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (true) {
// 產生 1~5 秒的隨機數
long time = 1000L * (new Random().nextInt(5) + 1);
try {
Thread.sleep(time);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 組合消息體
String message = String.format("%s，消息編號：%s 發送時間：%s 延遲：%s 秒",
name, MESSAGENO.getAndIncrement(), DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()), time / 1000);
// 生產消息
delayQueue.put(new DelayedElement(message, time));
}
}
}).start();
}
//消費者
private static void consumer(DelayQueue<delayedelement> delayQueue) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (true) {
DelayedElement element = null;
try {
// 消費消息
element = delayQueue.take();
System.out.println(element);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}).start();
}
// 延遲隊列對象
static class DelayedElement implements Delayed {
// 過期時間（單位：毫秒）
long time = System.currentTimeMillis();
// 消息體
String message;
// 參數：delayTime 延遲時間（單位毫秒）
public DelayedElement(String message, long delayTime) {
this.time += delayTime;
this.message = message;
}
@Override
// 獲取過期時間
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(time - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
}
@Override
// 隊列元素排序
public int compareTo(Delayed o) {
if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) > o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS))
return 1;
else if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) return -1;
else
return 0;
}
@Override
public String toString() {
// 打印消息
return message + " |執行時間：" + DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date());
}
}
}/<delayedelement>/<delayedelement>/<delayedelement>/<code> 以上程序支持多生產者，執行的結果如下：
生產者1，消息編號：1 發送時間：2019-6-12 20:38:37 延遲：2 秒 |執行時間：2019-6-12 20:38:39
生產者2，消息編號：2 發送時間：2019-6-12 20:38:37 延遲：2 秒 |執行時間：2019-6-12 20:38:39
生產者1，消息編號：3 發送時間：2019-6-12 20:38:41 延遲：4 秒 |執行時間：2019-6-12 20:38:45
生產者1，消息編號：5 發送時間：2019-6-12 20:38:43 延遲：2 秒 |執行時間：2019-6-12 20:38:45
......
總結
隊列（Queue）按照是否阻塞可分為：阻塞隊列 BlockingQueue 和 非阻塞隊列。其中，雙端隊列 Deque 也屬於非阻塞隊列，雙端隊列除了擁有隊列的先進先出的方法之外，還擁有自己獨有的方法，如 addFirst()、addLast()、getFirst()、getLast() 等，支持首未插入和刪除元素。隊列中比較常用的兩個隊列還有 PriorityQueue（優先級隊列）和 DelayQueue（延遲隊列），可使用延遲隊列來實現延遲消息隊列，這也是面試中比較常考的問題之一。需要面試朋友對延遲隊列一定要做到心中有數，動手寫一個消息隊列也是非常有必要的。
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