如何手撸一个队列？队列详解和面试题汇总(含答案)

r囧r小猫 2023-10-06 11:19 21阅读 0赞

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：![format_png][]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。

1.  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。
2.  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。
3.  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 常用方法，如下图所示：![format_png 1][]

方法说明：

*  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()：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：

// 默认非公平阻塞队列
    ArrayBlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(6);
    // 公平阻塞队列
    ArrayBlockingQueue queue2 = new ArrayBlockingQueue(6,true);
    // ArrayBlockingQueue 源码展示
    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();
    }

##### 4）DelayQueue #####

DelayQueue 是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列，队列中的元素必须实现 Delayed 接口，在创建元素时可以指定延迟时间，只有到达了延迟的时间之后，才能获取到该元素。实现了 Delayed 接口必须重写两个方法 ，getDelay(TimeUnit) 和 compareTo(Delayed)，如下代码所示：

class DelayElement implements Delayed {
            @Override
            // 获取剩余时间
            public long getDelay(TimeUnit unit) {
                // do something
            }
            @Override
            // 队列里元素的排序依据
            public int compareTo(Delayed o) {
                // do something
            }
        }

**DelayQueue 使用的完整示例**，请参考以下代码：

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("开始时间：" +  DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()));
            while (!delayQueue.isEmpty()){
                System.out.println(delayQueue.take());
            }
            System.out.println("结束时间：" +  DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()));
        }
        static class DelayElement implements Delayed {
            // 延迟截止时间（单面：毫秒）
            long delayTime = System.currentTimeMillis();
            public DelayElement(long delayTime) {
                this.delayTime = (this.delayTime + delayTime);
            }
            @Override
            // 获取剩余时间
            public long getDelay(TimeUnit unit) {
                return unit.convert(delayTime - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
            }
            @Override
            // 队列里元素的排序依据
            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 DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date(delayTime));
            }
        }
    }

程序执行结果：

> 开始时间：2019-6-13 20:40:38 2019-6-13 20:40:39 2019-6-13 20:40:41 2019-6-13 20:40:43 结束时间：2019-6-13 20:40:43

#### 非阻塞队列 ####

**ConcurrentLinkedQueue** 是一个基于链接节点的无界线程安全队列，它采用先进先出的规则对节点进行排序，当我们添加一个元素的时候，它会添加到队列的尾部；当我们获取一个元素时，它会返回队列头部的元素。它的入队和出队操作均利用 CAS（Compare And Set）更新，这样允许多个线程并发执行，并且不会因为加锁而阻塞线程，使得并发性能更好。ConcurrentLinkedQueue 使用示例：

ConcurrentLinkedQueue concurrentLinkedQueue = new ConcurrentLinkedQueue();
    concurrentLinkedQueue.add("Dog");
    concurrentLinkedQueue.add("Cat");
    while (!concurrentLinkedQueue.isEmpty()) {
        System.out.println(concurrentLinkedQueue.poll());
    }

执行结果：

> Dog Cat

可以看出不管是阻塞队列还是非阻塞队列，使用方法都是类似的，区别是底层的实现方式。

#### 优先级队列 ####

**PriorityQueue** 一个基于优先级堆的无界优先级队列。优先级队列的元素按照其自然顺序进行排序，或者根据构造队列时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于所使用的构造方法。优先级队列不允许使用 null 元素。**PriorityQueue 代码使用示例**：

Queue<Integer> priorityQueue = new PriorityQueue(new Comparator<Integer>() {
        @Override
        public int compare(Integer o1, Integer o2) {
            // 非自然排序，数字倒序
            return o2 - o1;
        }
    });
    priorityQueue.add(3);
    priorityQueue.add(1);
    priorityQueue.add(2);
    while (!priorityQueue.isEmpty()) {
        Integer i = priorityQueue.poll();
        System.out.println(i);
    }

程序执行的结果是：

> 3 2 1

**PriorityQueue 注意的点**：

1.  PriorityQueue 是非线程安全的，在多线程情况下可使用 PriorityBlockingQueue 类替代；
2.  PriorityQueue 不允许插入 null 元素。

#### 相关面试题 ####

##### 1.ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue 的区别是什么？ #####

答：ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue 都实现自阻塞队列 BlockingQueue，它们的区别主要体现在以下几个方面：

*  ArrayBlockingQueue 使用时必须指定容量值，LinkedBlockingQueue 可以不用指定；
 *  ArrayBlockingQueue 的最大容量值是使用时指定的，并且指定之后就不允许修改；而 LinkedBlockingQueue 最大的容量为 Integer.MAX\_VALUE；
 *  ArrayBlockingQueue 数据存储容器是采用数组存储的；而 LinkedBlockingQueue 采用的是 Node 节点存储的。

##### 2.LinkedList 中 add() 和 offer() 有什么关系？ #####

答：add() 和 offer() 都是添加元素到队列尾部。offer 方法是基于 add 方法实现的，Offer 的源码如下：

public boolean offer(E e) {
        return add(e);
    }

##### 3.Queue 和 Deque 有什么区别？ #####

答：Queue 属于一般队列，Deque 属于双端队列。一般队列是先进先出，也就是只有先进的才能先出；而双端队列则是两端都能插入和删除元素。

##### 4.LinkedList 属于一般队列还是双端队列？ #####

答：LinkedList 实现了 Deque 属于双端队列，因此拥有 addFirst(E)、addLast(E)、getFirst()、getLast() 等方法。

##### 5.以下说法错误的是？ #####

A：DelayQueue 内部是基于 PriorityQueue 实现的 B：PriorityBlockingQueue 不是先进先出的数据存储方式 C：LinkedBlockingQueue 容量是无限大的 D：ArrayBlockingQueue 内部的存储单元是数组，初始化时必须指定队列容量 答：C 题目解析：LinkedBlockingQueue 默认容量是 Integer.MAX\_VALUE，并不是无限大的，源码如下图所示：![format_png 2][]

##### 6.关于 ArrayBlockingQueue 说法不正确的是？ #####

A：ArrayBlockingQueue 是线程安全的 B：ArrayBlockingQueue 元素允许为 null C：ArrayBlockingQueue 主要应用场景是“生产者-消费者”模型 D：ArrayBlockingQueue 必须显示地设置容量 答：B 题目解析：ArrayBlockingQueue 不允许元素为 null，如果添加一个 null 元素，会抛 NullPointerException 异常。

##### 7.以下程序执行的结果是什么？ #####

PriorityQueue priorityQueue = new PriorityQueue();
    priorityQueue.add(null);
    System.out.println(priorityQueue.size());

答：程序执行报错，PriorityQueue 不能插入 null。

##### 8.Java 中常见的阻塞队列有哪些？ #####

答：Java 中常见的阻塞队列如下：

*  ArrayBlockingQueue，由数组结构组成的有界阻塞队列；
 *  PriorityBlockingQueue，支持优先级排序的无界阻塞队列；
 *  SynchronousQueue，是一个不存储元素的阻塞队列，会直接将任务交给消费者，必须等队列中的添加元素被消费后才能继续添加新的元素；
 *  LinkedBlockingQueue，由链表结构组成的阻塞队列；
 *  DelayQueue，支持延时获取元素的无界阻塞队列。

##### 9.有界队列和无界队列有哪些区别？ #####

答：有界队列和无界队列的区别如下：

*  有界队列：有固定大小的队列叫做有界队列，比如：new ArrayBlockingQueue(6)，6 就是队列的大小。
 *  无界队列：指的是没有设置固定大小的队列，这些队列的特点是可以直接入列，直到溢出。它们并不是真的无界，它们最大值通常为 Integer.MAXVALUE，只是平常很少能用到这么大的容量（超过 Integer.MAXVALUE），因此从使用者的体验上，就相当于 “无界”。

##### 10.如何手动实现一个延迟消息队列？ #####

答：说到延迟消息队列，我们应该可以第一时间想到要使用 DelayQueue 延迟队列来解决这个问题。实现思路，消息队列分为生产者和消费者，生产者用于增加消息，消费者用于获取并消费消息，我们只需要生产者把消息放入到 DelayQueue 队列并设置延迟时间，消费者循环使用 take() 阻塞获取消息即可。完整的实现代码如下：

public class CustomDelayQueue {
        // 消息编号
        static AtomicInteger MESSAGENO = new AtomicInteger(1);
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            DelayQueue<DelayedElement> delayQueue = new DelayQueue<>();
            // 生产者1
            producer(delayQueue, "生产者1");
            // 生产者2
            producer(delayQueue, "生产者2");
            // 消费者
            consumer(delayQueue);
        }
        //生产者
        private static void producer(DelayQueue<DelayedElement> delayQueue, String name) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    while (true) {
                        // 产生 1~5 秒的随机数
                        long time = 1000L * (new Random().nextInt(5) + 1);
                        try {
                            Thread.sleep(time);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        // 组合消息体
                        String message = String.format("%s，消息编号：%s 发送时间：%s 延迟：%s 秒",
                                name, MESSAGENO.getAndIncrement(), DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()), time / 1000);
                        // 生产消息
                        delayQueue.put(new DelayedElement(message, time));
                    }
                }
            }).start();
        }
        //消费者
        private static void consumer(DelayQueue<DelayedElement> delayQueue) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    while (true) {
                        DelayedElement element = null;
                        try {
                            // 消费消息
                            element = delayQueue.take();
                            System.out.println(element);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            }).start();
        }
        // 延迟队列对象
        static class DelayedElement implements Delayed {
            // 过期时间（单位：毫秒）
            long time = System.currentTimeMillis();
            // 消息体
            String message;
            // 参数：delayTime 延迟时间（单位毫秒）
            public DelayedElement(String message, long delayTime) {
                this.time += delayTime;
                this.message = message;
            }
            @Override
            // 获取过期时间
            public long getDelay(TimeUnit unit) {
                return unit.convert(time - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
            }
            @Override
            // 队列元素排序
            public int compareTo(Delayed o) {
                if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) > o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS))
                    return 1;
                else if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) < o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS))
                    return -1;
                else
                    return 0;
            }
            @Override
            public String toString() {
                // 打印消息
                return message + " |执行时间：" + DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date());
            }
        }
    }

以上程序支持多生产者，执行的结果如下：

> 生产者1，消息编号：1 发送时间：2019-6-12 20:38:37 延迟：2 秒 |执行时间：2019-6-12 20:38:39 生产者2，消息编号：2 发送时间：2019-6-12 20:38:37 延迟：2 秒 |执行时间：2019-6-12 20:38:39 生产者1，消息编号：3 发送时间：2019-6-12 20:38:41 延迟：4 秒 |执行时间：2019-6-12 20:38:45 生产者1，消息编号：5 发送时间：2019-6-12 20:38:43 延迟：2 秒 |执行时间：2019-6-12 20:38:45 ......

#### 总结 ####

队列（Queue）按照是否阻塞可分为：阻塞队列 BlockingQueue 和 非阻塞队列。其中，双端队列 Deque 也属于非阻塞队列，双端队列除了拥有队列的先进先出的方法之外，还拥有自己独有的方法，如 addFirst()、addLast()、getFirst()、getLast() 等，支持首未插入和删除元素。队列中比较常用的两个队列还有 PriorityQueue（优先级队列）和 DelayQueue（延迟队列），可使用延迟队列来实现延迟消息队列，这也是面试中比较常考的问题之一。需要面试朋友对延迟队列一定要做到心中有数，动手写一个消息队列也是非常有必要的。

> 本文来自：《Java面试全解析》

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