Java中Queue以及Deque详解

一、核心概念与继承体系

二、Queue 核心方法与实现

1. 核心操作：

方法	说明	异常处理
`offer(e)`	添加元素（推荐）	失败返回`false`
`add(e)`	添加元素	失败抛`IllegalStateException`
`poll()`	移除并返回队头元素	空队列返回`null`
`remove()`	移除并返回队头元素	空队列抛`NoSuchElementException`
`peek()`	查看队头元素（不删除）	空队列返回`null`
`element()`	查看队头元素（不删除）	空队列抛`NoSuchElementException`

2. 常用实现类：

LinkedList：基于链表，支持null元素
PriorityQueue：基于堆的优先级队列（自然序/Comparator）
ArrayBlockingQueue：固定大小的阻塞队列（线程安全）
LinkedBlockingQueue：可选有界阻塞队列（线程安全）

三、Deque 双端队列扩展

1. 核心操作增强：

java 复制代码

// 头部操作
offerFirst(e)  // 头部插入
pollFirst()    // 头部移除
peekFirst()    // 查看头部

// 尾部操作
offerLast(e)   // 尾部插入（等价于offer）
pollLast()     // 尾部移除
peekLast()     // 查看尾部

// 栈操作
push(e)        // = offerFirst(e)
pop()          // = removeFirst()

2. 作为队列使用（FIFO）的API：

java 复制代码

// 队列操作（FIFO：先进先出）
offerLast(e) 或 offer(e)  // 入队（尾部添加）
pollFirst() 或 poll()     // 出队（头部移除）
peekFirst() 或 peek()     // 查看队头

3. 作为栈使用（LIFO）的API：

java 复制代码

// 栈操作（LIFO：后进先出）
push(e)         // 入栈 = addFirst(e)
pop()           // 出栈 = removeFirst()
peekFirst()     // 查看栈顶

4. API使用对照表：

操作	队列模式（FIFO）	栈模式（LIFO）	等效方法
添加元素	`offerLast(e)` / `offer(e)`	`push(e)`	`addFirst(e)`（栈）
			`addLast(e)`（队列）
移除元素	`pollFirst()` / `poll()`	`pop()`	`removeFirst()`
查看元素	`peekFirst()` / `peek()`	`peekFirst()`	`getFirst()`

5. 代码示例：

java 复制代码

Deque<String> deque = new ArrayDeque<>();

// 作为队列使用（FIFO）
deque.offerLast("A"); // 队尾添加
deque.offerLast("B");
System.out.println(deque.pollFirst()); // A（队头移除）

// 作为栈使用（LIFO）
deque.push("C");      // 入栈
deque.push("D");
System.out.println(deque.pop());      // D（出栈）

// 混合操作（不推荐但可能）
deque.offerLast("E"); // 队尾添加（队列操作）
deque.push("F");      // 栈顶添加（栈操作）
System.out.println(deque.pollFirst()); // F（混合操作结果）

6. 常用实现类：

ArrayDeque：基于循环数组（默认容量16，性能最优）
LinkedList：基于双向链表（支持索引访问）
LinkedBlockingDeque：线程安全阻塞双端队列

四、与其他集合类对比

特性	Queue/Deque	List	Set	Map
数据结构	线性序列	线性序列	哈希表/树	键值对
元素顺序	FIFO/LIFO/优先级	插入顺序/索引	无序/排序	无序/键排序
重复元素	允许	允许	不允许	值允许，键不允许
空值支持	部分实现支持	允许	HashSet允许	HashMap允许值
访问方式	端点访问	索引/迭代器	迭代器	键访问
典型实现	ArrayDeque, PriorityQueue	ArrayList, LinkedList	HashSet, TreeSet	HashMap, TreeMap

五、使用场景与最佳实践

1. 队列场景：

任务调度：ThreadPoolExecutor 使用 BlockingQueue
消息传递：生产者-消费者模式
广度优先搜索（BFS）

2. 双端队列场景：

撤销操作栈：ArrayDeque 替代 Stack
滑动窗口算法
工作窃取算法（Work Stealing）

3. 选择指南：

六、常见问题

Q1：Queue和Deque的主要区别是什么？

A：

功能定位：

Queue 是标准FIFO队列（尾部添加，头部移除）

Deque 是双端队列，扩展了Queue，支持两端操作

操作能力：

Queue 只有队头出队(poll)、队尾入队(offer)

Deque 增加offerFirst/pollFirst等双端操作方法

栈功能：

Deque 可直接作为栈使用（push/pop方法）

Queue 没有原生栈操作支持

Q2：ArrayDeque和LinkedList如何选择？

A：

ArrayDeque：

基于循环数组，内存连续

两端操作时间复杂度O(1)

随机访问更快，CPU缓存友好

推荐场景：大多数队列/栈需求（默认选择）

LinkedList：

基于双向链表，内存分散

支持List接口的索引访问

插入删除中间元素更高效

推荐场景：

需要同时使用队列和列表功能

需要频繁在中间位置插入/删除

Q3：阻塞队列是什么？常用实现有哪些？

A：

阻塞队列 ：当队列满时阻塞生产者，队列空时阻塞消费者（BlockingQueue接口）

常用实现：

ArrayBlockingQueue：数组实现的有界队列

LinkedBlockingQueue：链表实现的可选有界队列

PriorityBlockingQueue：带优先级的无界阻塞队列

SynchronousQueue：不存储元素的直接传递队列

Q4：Deque如何替代Stack？

A：
Java官方推荐用Deque替代Stack类
转换方式：
java 复制代码
Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();
stack.push(1);          // 入栈 = addFirst()
int top = stack.peek(); // 查看栈顶 = peekFirst()
int pop = stack.pop();  // 出栈 = removeFirst()
优势：

避免Stack的同步开销（Vector实现）

更统一的集合API

更好的性能（特别是ArrayDeque）

Q5：PriorityQueue的排序原理？

A：

基于堆数据结构（默认最小堆）

排序规则：

自然排序：元素实现Comparable

定制排序：构造时传入Comparator

特点：

队头总是当前最值元素

入队/出队时间复杂度O(log n)

不支持null元素

Q6：如何使用Deque同时作为队列和栈？

A：

Deque可以同时支持队列和栈操作，但必须避免混用API：

队列模式（FIFO）：固定使用尾部添加+头部移除组合
java 复制代码
// 推荐API组合
deque.offer(e);      // 入队（尾部）
String item = deque.poll(); // 出队（头部）
栈模式（LIFO）：固定使用头部添加+头部移除组合
java 复制代码
// 推荐API组合
deque.push(e);       // 入栈（头部）
String top = deque.pop();  // 出栈（头部）
危险操作：混用API会导致数据顺序混乱
java 复制代码
// 错误示例（导致数据顺序不可预测）
deque.push("A");  // 栈操作（头部插入）
deque.offer("B"); // 队列操作（尾部插入）
// 此时队列：A<-B，但栈顶是A

Q7：为什么Java推荐用Deque代替Stack类？

A：

除了之前提到的性能优势，API设计也更合理：
Stack的缺陷API：
java 复制代码
// 老式Stack API（继承自Vector）
stack.addElement(e);  // 非标准方法名
stack.insertElementAt(e, 0); // 危险的低效操作
Deque的标准栈API：
java 复制代码
deque.push(e);  // 标准栈操作
deque.pop();    // 直观的LIFO语义
deque.peek();   // 查看栈顶
额外优势 ：Deque的栈操作时间复杂度均为O(1)，而Stack的insertElementAt(0)是O(n)

七、高频面试进阶问题

poll()和remove()有什么区别？
- 行为相同：移除并返回队头元素
- 空队列时：poll()返回null，remove()抛异常
ArrayDeque初始容量是多少？如何扩容？
- 默认初始容量16
- 扩容规则：加倍容量（16→32→64...）
- 重要特性：容量总是2的幂（位运算优化）

阻塞队列的put()和offer()区别？

java 复制代码

// 阻塞方法（无限等待）
void put(E e) throws InterruptedException;

// 非阻塞方法
boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit); // 限时等待
boolean offer(E e);                              // 立即返回

为什么LinkedList实现了List和Deque？
- 设计上支持多种访问方式：
  - 列表功能：索引访问/中间插入
  - 队列功能：FIFO操作
  - 双端功能：两端高效操作
- 体现了接口隔离原则