java Queue 详解

Java Queue 详解

Queue 是 Java 集合框架中用于实现 队列 数据结构的接口，位于 java.util 包中。队列是一种 先进先出（FIFO） 的数据结构，元素按照插入的顺序依次出队。

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1. Queue 的基本特性

1. FIFO（First-In-First-Out）：

   • 队列中的第一个元素是最先被处理的。
   • 特殊实现（如 Deque）可以支持双向队列操作。

2. 队列操作：

   • 插入元素：add() / offer()。
   • 访问元素（不移除）：element() / peek()。
   • 移除元素：remove() / poll()。

3. 接口定义 ：
   Queue 是一个接口，继承自 java.util.Collection。

4. 实现类：

   • LinkedList（常用）
   • PriorityQueue
   • ArrayDeque
   • ConcurrentLinkedQueue（线程安全）

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2. Queue 的方法

Queue 接口提供了以下主要方法：

方法	描述
add(E e)	将指定元素插入队列，如果队列已满，则抛出异常。
offer(E e)	将指定元素插入队列，如果队列已满，则返回 false。
remove()	移除并返回队列头部的元素，如果队列为空，则抛出异常。
poll()	移除并返回队列头部的元素，如果队列为空，则返回 null。
element()	返回队列头部的元素（不移除），如果队列为空，则抛出异常。
peek()	返回队列头部的元素（不移除），如果队列为空，则返回 null。

方法对比

方法类型	抛出异常	返回特殊值
插入	add()	offer()
移除	remove()	poll()
访问（不移除）	element()	peek()

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3. Queue 的实现类

3.1 LinkedList

• LinkedList 是 Queue 的常用实现之一，底层基于链表实现。
• 它既可以用作队列（FIFO），也可以用作双向队列（Deque）。

示例：

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

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

        // 添加元素
        queue.add("A");
        queue.add("B");
        queue.add("C");

        // 访问头部元素
        System.out.println("Head: " + queue.peek()); // 输出：A

        // 移除元素
        System.out.println("Removed: " + queue.poll()); // 输出：A

        // 遍历队列
        for (String item : queue) {
            System.out.println(item); // 输出：B, C
        }
    }
}

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3.2 PriorityQueue

• 基于 堆（Heap） 实现的队列，元素按照自然顺序或自定义顺序排序。
• 特点 ：
  • 不保证 FIFO 顺序，优先级高的元素先出队。
  • 适合实现优先级任务调度。

示例：

import java.util.PriorityQueue;

public class PriorityQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        PriorityQueue<Integer> pq = new PriorityQueue<>();

        // 添加元素
        pq.add(5);
        pq.add(2);
        pq.add(8);
        pq.add(1);

        // 按优先级移除元素
        while (!pq.isEmpty()) {
            System.out.println(pq.poll()); // 输出：1, 2, 5, 8
        }
    }
}

注意 ：PriorityQueue 不支持 null 元素。

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3.3 ArrayDeque

• 基于 动态数组 实现的双端队列（Deque）。
• 特点 ：
  • 比 LinkedList 更高效（无额外的链表节点开销）。
  • 可以用作栈（LIFO）或队列（FIFO）。

示例：

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.Queue;

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

        // 添加元素
        queue.offer("X");
        queue.offer("Y");
        queue.offer("Z");

        // 访问头部元素
        System.out.println("Head: " + queue.peek()); // 输出：X

        // 移除元素
        System.out.println("Removed: " + queue.poll()); // 输出：X
    }
}

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3.4 ConcurrentLinkedQueue

• 是一个线程安全的非阻塞队列，基于 CAS（Compare-And-Swap） 实现。
• 适用场景 ：
  • 适用于高并发场景下的无界队列。

示例：

import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;

public class ConcurrentQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

        // 添加元素
        queue.offer("P");
        queue.offer("Q");
        queue.offer("R");

        // 访问头部元素
        System.out.println("Head: " + queue.peek()); // 输出：P

        // 移除元素
        System.out.println("Removed: " + queue.poll()); // 输出：P
    }
}

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4. 特殊队列

4.1 阻塞队列（BlockingQueue）

• 提供阻塞操作的队列接口，位于 java.util.concurrent 包中。
• 主要实现类 ：
  • ArrayBlockingQueue：基于数组的有界阻塞队列。
  • LinkedBlockingQueue：基于链表的阻塞队列。
  • PriorityBlockingQueue：支持优先级排序的阻塞队列。
  • SynchronousQueue：一个没有存储能力的队列，直接在生产者和消费者之间传递数据。

示例：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

public class BlockingQueueExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ArrayBlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);

        // 添加元素
        queue.put("1");
        queue.put("2");
        queue.put("3");

        // 移除元素
        System.out.println(queue.take()); // 输出：1
    }
}

特点：

• 当队列满时，插入操作会阻塞。
• 当队列空时，删除操作会阻塞。

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4.2 双端队列（Deque）

• 是 Queue 的子接口，支持从两端插入和删除元素。
• 常见实现：
  • ArrayDeque
  • LinkedList

示例：

import java.util.Deque;
import java.util.LinkedList;

public class DequeExample {
    public static void main(String[] args) {
        Deque<String> deque = new LinkedList<>();

        // 添加元素
        deque.addFirst("A");
        deque.addLast("B");

        // 访问头尾元素
        System.out.println("First: " + deque.getFirst()); // 输出：A
        System.out.println("Last: " + deque.getLast());   // 输出：B

        // 移除元素
        deque.removeFirst();
        System.out.println("After removing first: " + deque);
    }
}

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5. Queue 的常见用例

5.1 任务调度

• 使用 PriorityQueue 或 BlockingQueue 实现任务调度。

5.2 消息队列

• 使用 ConcurrentLinkedQueue 或 BlockingQueue 实现线程间通信。

5.3 树/图的广度优先搜索（BFS）

• 使用 Queue 存储待访问的节点。

示例：

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

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

        // 初始化队列
        queue.offer(1);

        while (!queue.isEmpty()) {
            int node = queue.poll();
            System.out.println("Visited node: " + node);
            // 模拟添加邻居节点
            if (node < 3) {
                queue.offer(node + 1);
            }
        }
    }
}

输出：

Visited node: 1
Visited node: 2
Visited node: 3

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6. 总结

常用实现类对比

实现类	特点	适用场景
LinkedList	基于链表，支持双端队列操作；性能适中。	一般队列操作或双向队列。
PriorityQueue	元素按优先级排序，不保证 FIFO 顺序。	优先级任务调度。
ArrayDeque	高效实现队列和栈；比 LinkedList 更节省内存。	双端队列或栈的实现。
ConcurrentLinkedQueue	线程安全的无界队列，适用于高并发场景。	多线程环境下的队列操作。
BlockingQueue	提供阻塞操作，用于线程间通信。	生产者-消费者模式。

选择 Queue 实现时，应根据具体需求（如是否需要优先级、线程安全等）选择合适的实现类。