从零开始掌握Java Queue：深入浅出学习指南

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环境说明：Windows 10 + IntelliJ IDEA 2021.3.2 + Jdk 1.8

前言

Queue是计算机科学中一个重要的数据结构，它是一种线性数据结构，用于存储按顺序排列的元素集合。在Java中，Queue是一个接口，它可以用来实现FIFO（先进先出）的队列数据结构。队列是一个常用的数据结构，可以用来实现许多重要的算法和程序。

摘要

本文将深入浅出地介绍Java Queue的各种知识点和应用场景，包括Queue的定义、源代码解析、应用场景案例、优缺点分析、类代码方法介绍和测试用例。通过本文的学习，读者将能够全面掌握Java Queue的使用方法和实现原理，从而更好地进行Java开发。

Queue

概述

Queue的定义

在Java中，Queue是一个接口，它继承自Collection接口，因此可以用来存储一组对象。Queue的特点是按照FIFO（先进先出）的原则进行元素的插入和删除。Queue接口中定义了一些基本的方法，如add()、offer()、remove()、poll()、element()和peek()等。

Queue的实现类

在Java中，Queue接口有很多实现类，包括LinkedList、PriorityQueue、ArrayDeque等。这些实现类都继承自Queue接口，并且都实现了Queue接口中定义的基本方法。在选择实现类时，需要根据实际的需求来选择，比如如果需要实现优先级队列，则可以选择PriorityQueue，如果需要实现双端队列，则可以选择ArrayDeque。

Queue的应用场景

Queue常用于异步处理、消息队列、任务队列等场景。比如在Web应用中，如果需要异步处理一些任务，可以将任务放入队列中，由另外一个线程来处理。在消息队列中，消息会按照一定的顺序进行传递，而在任务队列中，任务也会按照一定的顺序进行执行。

源代码解析

Queue接口中的方法

在Java中，Queue接口中定义了一些基本的方法，下面来一一解析。

1. add()方法

add()方法用于在队列的尾部添加一个元素，如果队列已满，则会抛出IllegalStateException异常。

public boolean add(E e);

2. offer()方法

offer()方法用于在队列的尾部添加一个元素，如果队列已满，则返回false。

public boolean offer(E e);

3. remove()方法

remove()方法用于移除队列头部的元素，如果队列为空，则会抛出NoSuchElementException异常。

public E remove();

4. poll()方法

poll()方法用于移除队列头部的元素，如果队列为空，则返回null。

public E poll();

5. element()方法

element()方法用于返回队列头部的元素，如果队列为空，则会抛出NoSuchElementException异常。

public E element();

6. peek()方法

peek()方法用于返回队列头部的元素，如果队列为空，则返回null。

public E peek();

如下是部分源码截图：

队列的几种实现方式

1. LinkedList

LinkedList是一个双向链表，它实现了Deque接口和List接口，因此可以用来实现队列、双端队列和列表等数据结构。在使用LinkedList实现队列时，可以使用add()方法或offer()方法添加元素，remove()方法或poll()方法删除元素，element()方法或peek()方法获取队列头部的元素。

2. PriorityQueue

PriorityQueue是一个优先级队列，它可以根据元素的大小自动进行排序。在使用PriorityQueue实现队列时，可以使用add()方法或offer()方法添加元素，remove()方法或poll()方法删除队列头部的元素，element()方法或peek()方法获取队列头部的元素。

3. ArrayDeque

ArrayDeque是一个双端队列，它可以用来实现队列、双端队列等数据结构。在使用ArrayDeque实现队列时，可以使用add()方法或offer()方法添加元素，remove()方法或poll()方法删除元素，element()方法或peek()方法获取队列头部的元素。

应用场景案例

消息队列

消息队列是一种基于异步处理的消息传递机制，通过将消息放入队列中，可以实现跨平台、跨语言的消息传递。在Java中，可以使用Queue接口实现消息队列，通过将消息对象放入队列中，另外一个线程来进行处理。比如在网络应用中，可以将处理请求的线程和接收请求的线程分开，通过消息队列来传递请求信息。

调度任务

调度任务是一种在指定时间执行指定操作的机制，它可以用来实现周期性任务、延迟任务等。在Java中，可以使用Queue接口实现任务调度机制，通过将任务对象放入队列中，另外一个线程来进行处理。比如在Web应用中，可以将需要定期执行的任务放入队列中，由线程池来执行。

优缺点分析

优点

1. 队列可以有效地控制任务的执行顺序，确保任务按照一定的顺序进行执行。

2. 队列可以有效地减轻线程的压力，降低线程之间的竞争，提高程序的并发性能。

3. 队列可以有效地控制任务的调度时间，根据任务的优先级进行处理，提高程序的效率。

缺点

1. 队列可能会增加程序的内存消耗，当队列中元素过多时，可能会导致内存溢出等问题。

2. 队列可能会增加程序的复杂度，需要对任务进行优先级等方面的处理，否则可能会导致任务无法按照预期的顺序进行执行。

类代码方法介绍

LinkedList

LinkedList是一个双向链表，它实现了Deque接口和List接口，因此可以用来实现队列、双端队列和列表等数据结构。下面是一些常用的方法：

1. add()方法

add()方法用于在队列的尾部添加一个元素。

public boolean add(E e);

2. offer()方法

offer()方法用于在队列的尾部添加一个元素。

public boolean offer(E e);

3. remove()方法

remove()方法用于移除队列头部的元素。

public E remove();

4. poll()方法

poll()方法用于移除队列头部的元素。

public E poll();

5. element()方法

element()方法用于返回队列头部的元素。

public E element();

6. peek()方法

peek()方法用于返回队列头部的元素。

public E peek();

PriorityQueue

PriorityQueue是一个优先级队列，它可以根据元素的大小自动进行排序。下面是一些常用的方法：

1. add()方法

add()方法用于将元素添加到队列中。

public boolean add(E e);

2. offer()方法

offer()方法用于将元素添加到队列中。

public boolean offer(E e);

3. remove()方法

remove()方法用于移除队列头部的元素。

public E remove();

4. poll()方法

poll()方法用于移除队列头部的元素。

public E poll();

5. element()方法

element()方法用于返回队列头部的元素。

6. peek()方法

peek()方法用于返回队列头部的元素。

public E peek();

7. 构造方法

PriorityQueue有多种构造方法，可以根据实际需求进行选择。比如可以使用默认构造方法创建一个初始容量为11的空队列，也可以使用指定Comparator的构造方法创建一个自定义排序规则的队列。

public PriorityQueue();
public PriorityQueue(int initialCapacity);
public PriorityQueue(int initialCapacity, Comparator<? super E> comparator);
public PriorityQueue(Collection<? extends E> c);
public PriorityQueue(PriorityQueue<? extends E> c);
public PriorityQueue(SortedSet<? extends E> c);

如下是针对该构造方法的解析：

上述代码是 PriorityQueue 类的构造函数，提供了多个重载的构造函数，允许用户在创建 PriorityQueue 对象时指定不同的初始化参数。具体说明如下：

1. public PriorityQueue()：无参构造函数，创建一个默认容量为 11 的优先队列，使用自然顺序进行元素排序。

2. public PriorityQueue(int initialCapacity)：创建一个具有指定初始容量的优先队列，使用自然顺序进行元素排序。

3. public PriorityQueue(int initialCapacity, Comparator<? super E> comparator)：创建一个具有指定初始容量的优先队列，使用指定的比较器进行元素排序。

4. public PriorityQueue(Collection<? extends E> c)：创建一个包含指定集合的元素的优先队列，使用自然顺序进行元素排序。

5. public PriorityQueue(PriorityQueue<? extends E> c)：创建一个具有指定优先队列的元素的优先队列，使用自然顺序进行元素排序。

6. public PriorityQueue(SortedSet<? extends E> c)：创建一个包含指定排序集合的元素的优先队列，使用相同的比较器进行元素排序。

ArrayDeque

ArrayDeque是一个双端队列，它可以用来实现队列、双端队列等数据结构。下面是一些常用的方法：

1. add()方法

add()方法用于在队列的尾部添加一个元素。

public boolean add(E e);

2. offer()方法

offer()方法用于在队列的尾部添加一个元素。

public boolean offer(E e);

3. remove()方法

remove()方法用于移除队列头部的元素。

public E remove();

4. poll()方法

poll()方法用于移除队列头部的元素。

public E poll();

5. element()方法

element()方法用于返回队列头部的元素。

public E element();

6. peek()方法

peek()方法用于返回队列头部的元素。

public E peek();

7. 构造方法

ArrayDeque也有多种构造方法，可以根据实际需求进行选择。比如可以使用默认构造方法创建一个空队列，也可以使用指定容量的构造方法创建一个具有固定容量的队列。

public ArrayDeque();
public ArrayDeque(int numElements);
public ArrayDeque(Collection<? extends E> c);

测试用例

下面是一个使用Queue来实现消息队列的测试用例：

package com.demo.javase.day72;

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

/**
 * @Author bug菌
 * @Date 2023-11-06 16:25
 */
public class QueueTest {

    public static void main(String[] args) {
        Queue<String> queue = new LinkedList<>();

        queue.add("apple");
        queue.add("banana");
        queue.add("orange");
        queue.add("grape");

        System.out.println("Queue : " + queue);

        System.out.println("Head : " + queue.remove());

        System.out.println("Queue after removal of head : " + queue);

        queue.add("pear");

        System.out.println("Queue after addition of an element : " + queue);

        System.out.println("Head : " + queue.peek());

        System.out.println("Size of queue : " + queue.size());
    }
}

测试结果

根据如上测试用例，本地测试结果如下，仅供参考，你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法，进行熟练学习以此加深理解。

上面的代码定义了一个MessageQueue类，它使用Queue接口来实现消息队列。在主函数中，先向消息队列中添加了一条消息，然后不断从队列中取出消息进行处理。

输出结果如下：

Queue : [apple, banana, orange, grape]
Head : apple
Queue after removal of head : [banana, orange, grape]
Queue after addition of an element : [banana, orange, grape, pear]
Head : banana
Size of queue : 4

实际执行截图如下：

测试代码分析

根据如上测试用例，在此我给大家进行深入详细的解读一下测试代码，以便于更多的同学能够理解并加深印象。

该代码主要演示了Java中的队列（Queue）数据结构的使用，通过LinkedList实现了一个队列。具体操作包括向队列中添加元素、获取队列头部元素并移除、获取队列头部元素但不移除、向队列尾部添加元素，以及获取队列大小。运行该代码会输出相应的结果，方便我们理解队列的基本操作。该代码主要演示了Java中的队列（Queue）数据结构的使用，通过LinkedList实现了一个队列。具体操作包括向队列中添加元素、获取队列头部元素并移除、获取队列头部元素但不移除、向队列尾部添加元素，以及获取队列大小。运行该代码会输出相应的结果，方便我们理解队列的基本操作。

小结

本文主要介绍了Java中常用的三种队列：LinkedList、PriorityQueue和ArrayDeque以及它们的方法和构造方式。LinkedList是一个双向链表，可用于实现队列、双端队列和列表等数据结构；PriorityQueue是一个优先级队列，按照元素大小自动排序，常用于任务调度；ArrayDeque是一个双端队列，可用于实现队列、双端队列等数据结构。在实际开发中，我们可以根据不同的需求选择不同的数据结构。最后，本文还给出了一个使用Queue接口实现消息队列的测试用例。

总结

本文主要介绍了 Java Queue 的概念、定义、实现类、应用场景、优缺点分析、类代码方法介绍和测试用例，并且对 Queue 接口中的基本方法进行了源代码解析。其中，Queue 是一个用于按照先进先出原则进行元素插入和删除的数据结构，Java 中有很多 Queue 的实现类，包括 LinkedList、PriorityQueue、ArrayDeque 等。它们都继承自 Queue 接口，并且都实现了 Queue 接口中定义的基本方法。

在应用场景方面，Queue 常用于异步处理、消息队列、任务队列等场景。在消息队列中，可以通过将消息对象放入队列中，另外一个线程来进行处理。在任务队列中，可以通过将需要定期执行的任务放入队列中，由线程池来执行。

最后，本文还给出了 Queue 实现类的常用方法的介绍，并且通过一个使用 Queue 来实现消息队列的测试用例进行了说明。

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附录源码

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