Java中的5大队列,你知道几个?

本文已收录至 //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:ArrayBlockingQueueLinkedBlockingQueuePriorityQueueDelayQueueSynchronousQueue 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。

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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 puttake 方法,它们与可定时的 offerpoll 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。

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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
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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
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 ArrayBlockingQueueLinkedBlockingQueue,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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