Java Collection之Queue詳解及用途

Queue是一種常見的數據結構，其主要特徵在於FIFO（先進先出），Java中的Queue是這樣定義的：

public interface Queue<E> extends Collection<E> {
    E element();
    boolean offer(E o);
    E peek();
    E poll();
    E remove();
}

雖然Queue都具有FIFO的特點，但具體輸出哪一個元素，Queue的各種實現是不同的，尤其是在排序的情況下，新輸入的元素並非放入隊列尾部，而是放在適當的位置。Queue的每一種實現都必須指定排序屬性（ordering properties）。

Queue可能對存放的元素數目有所限制。這樣的Queue成爲“有界的”（bounded），在Java.util.concurrent中的某些Queue實現是有界的，而java.util中的Queue實現不是有界的。

Queue的每個操作都有兩種方法：

Queue Interface Structure

	Throws exception	Returns special value
Insert	add(e)	offer(e)
Remove	remove()	poll()
Examine	element()	peek()

add方法繼承自Collection，當Queue的元素已經到達限制數目時，add會拋出一個IllegalStateException異常；offer方法僅僅定位於應用在有界Queue的情況下，當Queue已經裝滿時，offer會返回false。

remove和poll方法都刪除並返回Queue中的頭元素（注意，並不是插入的第一個元素，因爲有的Queue實現是排序的）。當Queue爲空時，remove拋出NoSuchElementException異常，而poll返回null。

element和peek返回但不刪除Queue中的頭元素，它們的區別類似remove與poll。

Queue的實現一般並不容許插入null，只有LinkedList是一個意外，它容許插入null，但使用者必須注意，不要與poll和peek方法返回的null值混淆。

Queue的實現一般並不定義基於元素的equals和hashCode方法，而是調用繼承自Object的對應方法。

Queue接口並沒有定義並行程序中常用的阻塞方法，也就是說，元素進入Queue之前不必檢查Queue中是否有足夠的空間，不過作爲Queue擴展的java.util.concurrent.BlockingQueue接口定義了這些方法。

普通的LinkedList實現並沒有定義特殊的排序算法，所以輸出元素時會按照插入的順序：

import java.util.*;
public class Countdown {
    public static void main(String[] args)
            throws InterruptedException {
        int time = 10;
        Queue<Integer> queue = new LinkedList<Integer>();
        for (int i = time; i >= 0; i--)
            queue.add(i);
        while(!queue.isEmpty()) {
            System.out.println(queue.remove());
            Thread.sleep(1000);
        }
    }
}

程序的輸出結果爲：
10
9
8
…..

如果作一點小更改，採用PriorityQueue

import java.util.*;
public class Countdown {
    public static void main(String[] args)
            throws InterruptedException {
        int time = 10;
        Queue<Integer> queue = new LinkedList<Integer>();
        Queue<Integer> pQueue = new PriorityQueue<Integer>();
        for (int i = time; i >= 0; i--)
            queue.add(i);
        while(!queue.isEmpty()) {
            pQueue.add(queue.remove());           
        }
        while(!pQueue.isEmpty()) {
            System.out.println(pQueue.remove());           
        }
    }
}

則輸出結果爲：
0
1
2
……

查閱文檔可知，PriorityQueue的內部是一個min heap，實際上，觀察PriorityQueue的輸出也可以發現這一點：

        int time = 10;
        Queue<Integer> queue = new LinkedList<Integer>();
        Queue<Integer> pQueue = new PriorityQueue<Integer>();
        for (int i = time; i >= 0; i--)
            queue.add(i);
        while(!queue.isEmpty()) {
            pQueue.add(queue.remove());           
        }

        System.out.println(pQueue);
        pQueue.remove();
        System.out.println(pQueue);

輸出結果爲
[0,1,5,4,2,9,6,10,7,8,3]
[1,2,5,4,3,9,6,10,7,8]

實際上就是兩個min-heap按照從上至下，從左至右的輸出。