數據結構之「隊列」

什麼是隊列？

隊列（queue）是隻容許在一端進行插入操做，而在另外一端進行刪除操做的線性表。是一種先進先出（First In First Out）的線性表，簡稱 FIFO。容許插入的一端稱爲隊尾，容許刪除的一端稱爲隊頭。
隊列有 2 種方式來存儲：數組 和 鏈表。
數組咱們都知道它是預先分配好長度的，所以會出現溢出現象，並且刪除元素須要向隊頭移動一個位置，時間複雜度就變成 O(n)。所以，須要一種新的方式來解決這個問題，那就是循環隊列。
隊列的這種頭尾相接的順序存儲結構稱爲循環隊列。爲了不隊列刪除元素須要移動整個隊列，使得隊頭和隊尾能夠在數組中循環變化。解決了移動元素的時間損耗，使得原本刪除是 O(n) 的時間複雜度變成了 O(1)。

1. 數組式隊列

申請一片連續的存儲空間，並設置兩個指針進行管理。一個是隊頭指針front，它指向隊頭元素；另外一個是隊尾指針rear，它指向下一個入隊元素的存儲位置。通常是實現循環隊列，隊頭和隊尾會隨着入隊和出隊的變化而變化的。例如 JDK 中 ArrayBlockingQueue 就是基於循環隊列來實現的。不過它會有溢出現象，通常解決方案是若是隊列滿了，設置入隊等待時間或者返回入隊不成功。通常在肯定元素個數狀況下使用，若是不肯定元素個數，建議使用鏈表式隊列。

2. 鏈表式隊列

它就是基於鏈表存儲結構的隊列，能夠動態的建立和刪除元素，不用關心隊列的長度，所以不用擔憂溢出現象。新元素插入到隊尾，讀取的時候從隊頭開始，每次讀取一個元素，釋放一個元素，這就是所謂的動態建立和動態刪除。

隊列有什麼用？

1. 保證輸入順序

好比吃飯排隊，先找服務員拿個號碼，上面會寫着前面還有 n 桌，這就至關於服務員把你加入了她們店的隊列中，當有空位置時，就直接叫你入座吃飯，當沒有空位子時，要麼排隊等候，要麼換一家吃飯。這就是隊列的用處。

2. 解耦

在系統設計中，好的設計是低耦合，高內聚。意思就是一個系統只作一件事情，把一件事情作好。既方便代碼維護，又方便擴展。好比又一個下單的場景，用戶下單以後須要加積分，須要給各類優惠券等等。咱們就能夠利用隊列來解偶，但真實使用通常是用開源的消息隊列，如Rocket MQ,Kafka 等等。

3. 提高系統吞吐量

就拿上面訂單來講，原本之前是用戶下單，給用戶添加積分，給用戶發優惠券是一塊兒處理成功後返回的。如今只是處理下單，而後告訴某某系統，給某某用戶加積分，給某某用戶發優惠券了，它本身並不真正作這個動做，因此會提高系統響應，當須要保證最終一致性。通常也是用開源的消息隊列來完成的。

隊列怎麼實現？

這裏是基於數組的循環隊列實現，也就是 JDK 的 ArrayBlockingQueue。有興趣的朋友也能夠看看基於鏈表的 LinkedBlockingQueue 的實現。
存儲結構

public class ArrayBlockingQueue<E> {
    //用數組來存儲元素
    Object[] items;
    //數組裏出隊的下標
    int takeIndex;
    //入隊的下標
    int putIndex;
    //元素個數
    int count;
}

入隊

public boolean offer(E e) {
    //加入數組滿了，則返回入隊失敗
    if (count == items.length) {
        return false;
    } else {
        //得到當前數組
        Object[] items = this.items;
        //把元素 e 加入到隊尾
        items[putIndex] = e;
        //判斷是否是隊尾是否是倒數第二個元素
        //是的話把下標爲 0 置爲隊尾，說明一圈了
        if (++putIndex == items.length) {
            putIndex = 0;
        }
        //總數加一
        count++;
        return true;
    }
}

出隊

public E poll() {
    //空隊列則返回 null
    if (count == 0) {
        return null;
    } else {
        //獲取當前數組
        Object[] items = this.items;
        //獲取隊頭元素
        E item = (E) items[takeIndex];
        //置空
        items[takeIndex] = null;
        //重置隊頭爲下標 0；
        if (++takeIndex == items.length) {
            takeIndex = 0;
        }
        //總數減一
        count--;
        return item;
    }
}

總結

隊列的做用仍是很大的，好比保證輸入順序，解偶，提高系統吞吐量等等，都基於隊列的原理來實現的。隊列有數組式隊列和鏈表式隊列。數組式隊列就是基於數組存儲結構來實現的，數組的優缺點它全有。鏈表式隊列就是基於鏈表存儲結構來實現的，它也包含來鏈表的優缺點。因此在使用時能夠根絕業務需求來選擇最優的方案。

PS:
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