圖解 Java 中的 5 大隊列，再也不用擔心排隊的問題了

我們知道，隊列（Queue）是先進先出（FIFO）的，并且我們可以用數(shù)組、鏈表還有 List 的方式來實現(xiàn)自定義隊列，那么本文我們來系統(tǒng)的學習一下官方是如何實現(xiàn)隊列的。

Java 中的隊列有很多，例如：ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityQueue、DelayQueue、SynchronousQueue 等，那它們的作用是什么？又是如何分類的呢？

其實 Java 中的這些隊列可以從不同的維度進行分類，例如可以從阻塞和非阻塞進行分類，也可以從有界和無界進行分類，而本文將從隊列的功能上進行分類，例如：優(yōu)先隊列、普通隊列、雙端隊列、延遲隊列等。

雖然本文的重點是從功能上對隊列進行解讀，但其它分類也是 Java 中的重要概念，所以我們先來了解一下它們。

阻塞隊列和非阻塞隊列

阻塞隊列（Blocking Queue）提供了可阻塞的 put 和 take 方法，它們與可定時的 offer 和 poll 是等價的。如果隊列滿了 put 方法會被阻塞等到有空間可用再將元素插入；如果隊列是空的，那么 take 方法也會阻塞，直到有元素可用。當隊列永遠不會被充滿時，put 方法和 take?方法就永遠不會阻塞。

我們可以從隊列的名稱中知道此隊列是否為阻塞隊列，阻塞隊列中包含 BlockingQueue?關鍵字，比如以下這些：

• ArrayBlockingQueue
• LinkedBlockingQueue
• PriorityBlockingQueue
• .......

阻塞隊列功能演示

接下來我們來演示一下當阻塞隊列的容量滿了之后會怎樣，示例代碼如下：

import?java.util.Date;
import?java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

public?class?BlockingTest?{
????public?static?void?main(String[]?args)?throws?InterruptedException?{
????????//?創(chuàng)建一個長度為?5?的阻塞隊列
????????ArrayBlockingQueue?q1?=?new?ArrayBlockingQueue(5);
????????
????????//?新創(chuàng)建一個線程執(zhí)行入列
????????new?Thread(()?->?{
????????????//?循環(huán)?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();

????????//?新創(chuàng)建一個線程執(zhí)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();
????}
}

以上代碼的執(zhí)行結果如下：

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.

從上述結果可以看出，當 ArrayBlockingQueue?隊列滿了之后就會進入阻塞，當過了 1 秒有元素從隊列中移除之后，才會將新的元素入列。

非阻塞隊列

非阻塞隊列也就是普通隊列，它的名字中不會包含 BlockingQueue?關鍵字，并且它不會包含 put?和 take?方法，當隊列滿之后如果還有新元素入列會直接返回錯誤，并不會阻塞的等待著添加元素，如下圖所示：

非阻塞隊列的典型代表是 ConcurrentLinkedQueue?和 PriorityQueue。

有界隊列和無界隊列

有界隊列：是指有固定大小的隊列，比如設定了固定大小的 ArrayBlockingQueue，又或者大小為 0 的 SynchronousQueue。

無界隊列：指的是沒有設置固定大小的隊列，但其實如果沒有設置固定大小也是有默認值的，只不過默認值是 Integer.MAX_VALUE，當然實際的使用中不會有這么大的容量（超過 Integer.MAX_VALUE），所以從使用者的角度來看相當于 “無界”的。

按功能分類

接下來就是本文的重點了，我們以功能來劃分一下隊列，它可以被分為：普通隊列、優(yōu)先隊列、雙端隊列、延遲隊列、其他隊列等，接下來我們分別來看。

1.普通隊列

普通隊列（Queue）是指實現(xiàn)了先進先出的基本隊列，例如 ArrayBlockingQueue?和 LinkedBlockingQueue，其中 ArrayBlockingQueue 是用數(shù)組實現(xiàn)的普通隊列，如下圖所示：

而 LinkedBlockingQueue 是使用鏈表實現(xiàn)的普通隊列，如下圖所示：

常用方法

普通隊列中的常用方法有以下這些：

• offer()：添加元素，如果隊列已滿直接返回 false，隊列未滿則直接插入并返回 true；
• poll()：刪除并返回隊頭元素，當隊列為空返回 null；
• add()：添加元素，此方法是對 offer 方法的簡單封裝，如果隊列已滿，拋出 IllegalStateException 異常；
• remove()：直接刪除隊頭元素；
• put()：添加元素，如果隊列已經(jīng)滿，則會阻塞等待插入；
• take()：刪除并返回隊頭元素，當隊列為空，則會阻塞等待；
• peek()：查詢隊頭元素，但不會進行刪除；
• element()：對 peek 方法進行簡單封裝，如果隊頭元素存在則取出并不刪除，如果不存在拋出 NoSuchElementException 異常。

注意：一般情況下 offer() 和 poll() 方法配合使用，put() 和 take() 阻塞方法配合使用，add() 和 remove() 方法會配合使用，程序中常用的是 offer() 和 poll() 方法，因此這兩個方法比較友好，不會報錯。

接下來我們以 LinkedBlockingQueue 為例，演示一下普通隊列的使用：

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());
????????}
????}
}

以上代碼的執(zhí)行結果如下：

Hello

Java

中文社群

2.雙端隊列

雙端隊列（Deque）是指隊列的頭部和尾部都可以同時入隊和出隊的數(shù)據(jù)結構，如下圖所示：

接下來我們來演示一下雙端隊列 LinkedBlockingDeque 的使用：

import?java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;

/**
??*?雙端隊列示例
??*/
static?class?LinkedBlockingDequeTest?{
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????//?創(chuàng)建一個雙端隊列
????????LinkedBlockingDeque?deque?=?new?LinkedBlockingDeque();
????????deque.offer("offer");?//?插入首個元素
????????deque.offerFirst("offerFirst");?//?隊頭插入元素
????????deque.offerLast("offerLast");?//?隊尾插入元素
????????while?(!deque.isEmpty())?{
????????????//?從頭遍歷打印
????????????System.out.println(deque.poll());
????????}
????}
}

以上代碼的執(zhí)行結果如下：

offerFirst

offer

offerLast

3.優(yōu)先隊列

優(yōu)先隊列（PriorityQueue）是一種特殊的隊列，它并不是先進先出的，而是優(yōu)先級高的元素先出隊。

優(yōu)先隊列是根據(jù)二叉堆實現(xiàn)的，二叉堆的數(shù)據(jù)結構如下圖所示：

二叉堆分為兩種類型：一種是最大堆一種是最小堆。以上展示的是最大堆，在最大堆中，任意一個父節(jié)點的值都大于等于它左右子節(jié)點的值。

因為優(yōu)先隊列是基于二叉堆實現(xiàn)的，因此它可以將優(yōu)先級最好的元素先出隊。

接下來我們來演示一下優(yōu)先隊列的使用：

import?java.util.PriorityQueue;

public?class?PriorityQueueTest?{
????//?自定義的實體類
????static?class?Viper?{
????????private?int?id;?//?id
????????private?String?name;?//?名稱
????????private?int?level;?//?等級

????????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()?{
????????????@Override
????????????public?int?compare(Viper?v1,?Viper?v2)?{
????????????????//?設置優(yōu)先級規(guī)則（倒序，等級越高權限越大）
????????????????return?v2.getLevel()?-?v1.getLevel();
????????????}
????????});
????????//?構建實體類
????????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())?{
????????????//?遍歷名稱
????????????Viper?item?=?(Viper)?queue.poll();
????????????System.out.println("Name："?+?item.getName()?+
???????????????????????????????" Level："?+?item.getLevel());
????????}
????}
}

以上代碼的執(zhí)行結果如下：

Name：MySQL Level：5

Name：Redis Level：3

Name：Java Level：1

從上述結果可以看出，優(yōu)先隊列的出隊是不考慮入隊順序的，它始終遵循的是優(yōu)先級高的元素先出隊。

4.延遲隊列

延遲隊列（DelayQueue）是基于優(yōu)先隊列 PriorityQueue 實現(xiàn)的，它可以看作是一種以時間為度量單位的優(yōu)先的隊列，當入隊的元素到達指定的延遲時間之后方可出隊。

我們來演示一下延遲隊列的使用：

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?{
????//?延遲消息隊列
????private?static?DelayQueue?delayQueue?=?new?DelayQueue();
????public?static?void?main(String[]?args)?throws?InterruptedException?{
????????producer();?//?調(diào)用生產(chǎn)者
????????consumer();?//?調(diào)用消費者
????}

????//?生產(chǎn)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"));
????}

????//?消費者
????public?static?void?consumer()?throws?InterruptedException?{
????????System.out.println("開始執(zhí)行時間："?+
????????????????DateFormat.getDateTimeInstance().format(new?Date()));
????????while?(!delayQueue.isEmpty())?{
????????????System.out.println(delayQueue.take());
????????}
????????System.out.println("結束執(zhí)行時間："?+
????????????????DateFormat.getDateTimeInstance().format(new?Date()));
????}

????static?class?MyDelay?implements?Delayed?{
????????//?延遲截止時間（單位：毫秒）
????????long?delayTime?=?System.currentTimeMillis();
????????//?借助?lombok?實現(xiàn)
????????@Getter
????????@Setter
????????private?String?msg;

????????/**
?????????*?初始化
?????????*?@param?delayTime?設置延遲執(zhí)行時間
?????????*?@param?msg???????執(zhí)行的消息
?????????*/
????????public?MyDelay(long?delayTime,?String?msg)?{
????????????this.delayTime?=?(this.delayTime?+?delayTime);
????????????this.msg?=?msg;
????????}

????????//?獲取剩余時間
????????@Override
????????public?long?getDelay(TimeUnit?unit)?{
????????????return?unit.convert(delayTime?-?System.currentTimeMillis(),?TimeUnit.MILLISECONDS);
????????}

????????//?隊列里元素的排序依據(jù)
????????@Override
????????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?this.msg;
????????}
????}
}

以上代碼的執(zhí)行結果如下：

開始執(zhí)行時間：2020-10-20 20:17:28

消息1

消息2

結束執(zhí)行時間：2020-10-20 20:17:31

從上述結束執(zhí)行時間和開始執(zhí)行時間可以看出，消息 1 和消息 2 都正常實現(xiàn)了延遲執(zhí)行的功能。

5.其他隊列

在 Java 的隊列中有一個比較特殊的隊列 SynchronousQueue，它的特別之處在于它內(nèi)部沒有容器，每次進行 put() 數(shù)據(jù)后（添加數(shù)據(jù)），必須等待另一個線程拿走數(shù)據(jù)后才可以再次添加數(shù)據(jù)，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();

????????//?入隊
????????new?Thread(()?->?{
????????????for?(int?i?=?0;?i?3;?i++)?{
????????????????try?{
????????????????????System.out.println(new?Date()?+?"，元素入隊");
????????????????????queue.put("Data?"?+?i);
????????????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????????????e.printStackTrace();
????????????????}

????????????}
????????}).start();

????????//?出隊
????????new?Thread(()?->?{
????????????while?(true)?{
????????????????try?{
????????????????????Thread.sleep(1000);
????????????????????System.out.println(new?Date()?+?"，元素出隊："?+?queue.take());
????????????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????????????e.printStackTrace();
????????????????}
????????????}
????????}).start();
????}
}

以上代碼的執(zhí)行結果如下：

Mon Oct 19 21:00:21 CST 2020，元素入隊

Mon Oct 19 21:00:22 CST 2020，元素出隊：Data 0

Mon Oct 19 21:00:22 CST 2020，元素入隊

Mon Oct 19 21:00:23 CST 2020，元素出隊：Data 1

Mon Oct 19 21:00:23 CST 2020，元素入隊

Mon Oct 19 21:00:24 CST 2020，元素出隊：Data 2

從上述結果可以看出，當有一個元素入隊之后，只有等到另一個線程將元素出隊之后，新的元素才能再次入隊。

總結

本文講了 Java 中的 5 種隊列：普通隊列、雙端隊列、優(yōu)先隊列、延遲隊列、其他隊列。其中普通隊列的典型代表為 ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue，雙端隊列的代表為 LinkedBlockingDeque，優(yōu)先隊列的代表為 PriorityQueue，延遲隊列的代表為 DelayQueue，最后還講了內(nèi)部沒有容器的其他隊列 SynchronousQueue.