隊列的定義
隊列(queue)是一種線性表數據結構，具有先進先出、後進後出的特點。
通俗的講，隊列有點像排隊買票，先來的先買，後來的人只能站末尾，而且不允許插隊。
隊列的使用
隊列和棧類似，都是“操作受限”的線性表，而且只有兩個基本操作：入隊enqueue()，放一個數據到隊列的尾部；出隊dequeue()，從隊列頭部取一個元素。
隊列的概念很好理解，基本操作也很容易掌握。作爲一種非常基礎的數據結構，隊列的應用也非常廣泛，特別是一些具有某些額外特性的隊列，比如循環隊列、阻塞隊列、併發隊列。它們在很多偏底層系統、框架、中間件的開發中，起到了關鍵性的作用。比如高性能隊Disruptor、Linux環形緩存，都用到了循環併發隊列；Java concurrent併發包利用ArrayBlockingQueue來實現公平鎖等。
實際上，對於大部分資源有限的場景，當沒有空閒資源時，基本上都可以通過“隊列”這種數據結構來實現請求排隊。
隊列的實現
跟棧一樣，隊列可以用數組實現，也可以用鏈表來實現。用數組實現的棧叫作順序棧，用鏈表實現的棧叫作鏈式棧。同樣，用數組實現的隊列叫作順序隊列，用鏈表實現的隊列叫作鏈式隊列。
下面是基於Java數組實現的順序隊列。
//用數組實現的隊列
public class ArrayQueue(){
//數組:items,數組大小:n
private String[] items;
private int n=0;
//head表示隊頭下標，tail表示隊尾下標
private int head=0;
private int tail=0;
//申請一個大小爲capacity的數組
public ArrayQueue(int capacity){
items= new String[capacity];
n=capacity;
}
//入隊
public boolean enqueue(String item){
//tail==n 表示隊列已經滿了
if(tail==n){
return false;
}
items[tail]=item;
++tail;
return true;
}
//出隊
public String dequeue(){
//head==tail 表示隊列已經爲空
if(head==tail){
return false;
}
String item=items[head];
++head;
return items;
}
}
比起棧的數組實現，隊列的數組實現稍微有點複雜，但是沒關係。我稍微解釋一下實現思路，你就容易就能明白了。
對於棧來說，我們只需要一個棧頂指針就可以了。但是隊列需要兩個指針：一個是head指針，指向隊頭；一個是tail指針，指向隊尾。
你可以結合下面的圖來理解。當a、b、c、d依次入隊之後，隊列中的head指針指向下標爲0的位置，tail指針指向下標爲4的位置。
當我們調用兩次出隊操作之後，隊列中head指針指向下標爲2的位置，tail指針仍然指向下標爲4的位置。
你肯定已經發現了，隨着不停地進行入隊、出隊操作，head和tail都會持續往後移動。當tail移動到最右邊，即數組中還有空閒空間，也無法繼續往隊列中添加數據了。這個問題該如何解決呢？
入隊的優化
在數組中也會遇到類似的問題，比如數組的刪除操作會導致數組中的數據不連續。這個時候我們會選擇用數據遷移的方法來解決問題！但是，在隊列中每次進行出隊操作都相當於刪除數組下標爲0的數據，要搬移整個隊列中的數據，這樣出隊操作的時間複雜度就會從原來的O(1)變成O(n)。能不能優化一下呢？
實際上，我們在出隊時可以不用搬移數據。如果沒有空閒空間了，我們只需要在入隊時，再集中觸發一次數據的搬移操作。藉助這個思想，出隊函數dequeue()保持不變，我們稍加改造一下入隊函數enqueue()的實現，就可以輕鬆解決剛纔的問題了。下面是具體的代碼：
//入隊操作，將item放入隊尾
public boolean enqueue(String item){
//tail==n表示隊列末尾沒有空間了
if(tail==n){
//tail==n&&head==0，表示整個隊列都佔滿了
if(head==0){
retun false;
}
//數據遷移
for(int i=head;i<tail;++i){
items[i-head]=items[i];
}
//搬移完之後重新更新head和tail
tail-=head;
head=0;
}
items[tail]=item;
++tail;
return true;
}
從代碼中我們看到，當對列的tail指針移動到數組的最右邊後，如果有新的數據入隊，我們可以將head到tail之間的數據，整體搬移到數組中0到tail-head的位置。
循環隊列
我們剛纔用數組來實現對列的時候，在tail==n時，會有數據搬移操作，這樣入隊操作性能就會受到影響。那有沒有辦法能過避免數據搬移呢？我們來看看循環隊列的解決思路。
循環隊列，顧名思義，它長得像一個環。原本數組是有頭有尾的，是一條直線。現在我們把首位相連，扳成了一個環。如圖。
我們可以看到，圖中這個隊列的大小爲8，當前head=4，tail=7。當有一個新的元素a入隊時，我們放入下標爲7的位置。但這個時候，我們並不把tail更新爲8，而是將其在環中後移一位，到下標爲0的位置。當再有一個元素b入隊時，我們將b放入下標爲0的位置，然後tail加1更新爲1。所以，在a，b依次入隊之後，循環隊列中的元素就變成了下面的樣子：
通過這樣的方法，我們成功避免了數據搬移操作。看起來不難理解，但是循環隊列的代碼實現難度要比非循環隊列難多了。一定要確定好隊空和隊滿的判斷條件。
在數組實現的非循環隊列中，隊滿的判斷條件是tail==n，隊空的判斷條件是head==tail。那針對循環隊列，如何判斷隊空和隊滿呢？
隊列爲空的判斷條件仍然是head==tail。但隊列滿的判斷條件就有點稍微複雜了。你可以看一下下面的圖，試着總結一下規律。
圖中tail=3，head=4，n=8，所以總結一下規律是：(3+1)%8=4。多畫幾張隊列滿的圖，你就會發現，當隊滿時，(tail+1)%n=head。
你有沒有發現，當隊列滿時，圖中的tail指向的位置實際上是沒有存儲數據的。所以，循環隊列會浪費一個數組的存儲空間。
public class CircularQueue{
//數組：items，數組大小：n
private String[] items;
private int n=0;
//head表示隊頭下標，tail表示隊尾下標
private int head=0；
private int tail=0;
//申請一個大小爲capacity的數組
public CircularQueue(int capcacity){
items=new String[capacity];
n=capacity;
}
//入隊
public boolean enqueue(String item){
//隊列滿了
if((tail+1)%n==head){
return false;
}
items[tail]=item;
tail=(tail+1)%n;
return true;
}
//出隊
public boolean dequeue(){
//如果head==tail表示隊列爲空
if(head==tail){
return null;
}
String ret=items[head];
head=(head+1)%n
return ret;
}
}
阻塞隊列和併發隊列
前面講的內容理論比較多，看起來很難跟實際的項目開發扯上關係。確實，隊列這種數據結構結構很基礎，平時的業務開發不大可能從零實現一個隊列，甚至都不會直接用到。而一些具有特殊性質的隊列應用卻比較廣泛，比如阻塞隊列和併發隊列。
阻塞隊列其實就是在隊列基礎上增加阻塞操作。簡單來說，就是在隊列爲空的時候，從隊頭取數據會被阻塞。因爲此時還沒有數據可取，知道隊列中有了數據才能返回；如果隊列已經滿了，那麼插入數據的操作就會被阻塞，直到隊列中有空閒位置後再插入數據，然後再返回。
你應該已經發現了，上述的定義就是一個“生產者-消費者模型”！是的，我們可以使用阻塞隊列，輕鬆實現一個“生產者-消費者模型”！
這種基於阻塞隊列實現的“生產者-消費者模型”，可以有效地協調生產和消費的速度。當“生產者”生產數據的速度過快，“消費者”來不及消費時，存儲數據的隊列很快就會滿了。這個時候，生產者就阻塞等待，直到“消費者”消費了數據，“生產者”纔會被喚醒繼續“生產”。
而且不僅如此，基於阻塞隊列，我們還可以通過協調“生產者”和“消費者”的個數，來提高數據的處理效率。比如前面的例子，我們可以多配置幾個“消費者”，來對應一個“生產者”。
前面我們講了阻塞隊列，在多線程情況下，會有多個線程同時操作隊列，這個時候就會存在線程安全問題，那如何實現一個線程安全的隊列呢？
線程安全的隊列我們叫作併發隊列。最簡單直接的實現方式是直接在enqueue()、dequeue()方法上加鎖，但是鎖粒度大併發度會比較低，同一時僅允許一個存或取操作。實際上，基於數組的循環隊列，利用CAS原子操作，可以實現非常高效的併發隊列。這也是循環隊列比鏈式隊列應用更加廣泛的原因。
學習了王爭老師的《數據結構與算法之美》，根據課程內容整理的筆記