深入解析队列机制及其广泛的应用场景

        实现原理和栈类似，只不过头尾指针需要控制

public class LinkedQueue {//定义一个节点类private class Node{String value;Node next;}//记录队列元素个数private int size = 0;//head指向队头结点，tail指向队尾节点private Node head;private Node tail;//申请一个队列public LinkedQueue(){}//入队public boolean enqueue(String item){Node newNode = new Node();newNode.value = item;if (size == 0) head = newNode;else tail.next = newNode;tail = newNode;size++;return true;}//出队public String dequeue(){String res = null;if(size == 0) return res;if(size == 1) tail = null;res = head.value;head = head.next;size--;return res;}
}

2.循环队列

        循环队列，顾名思义，它⻓得像⼀个环。原本数组是有头有尾的，是⼀条直线。现在我们把⾸尾相连，扳成了⼀个环。

         我们可以看到，图中这个队列的⼤⼩为8，当前head=4，tail=7。当有⼀个新的元素a⼊队时，我们放⼊下标为7的位置。但这个时候，我们并不把tail更新为8，⽽是将其在环中后移⼀位，到下标为0的位置。当再有⼀个元素b⼊队时，我们将b放⼊下标为0的位置，然后tail加1更新为1。所以，在a，b依次⼊队之后，循环队列中的元素就变成了下⾯的样⼦：

         通过这样的⽅法，我们成功避免了数据搬移操作。看起来不难理解，但是循环队列的代码实现难度要⽐前⾯讲的⾮循环队列难多了。要想写出没有bug的循环队列的实现代码，我个⼈觉得，最关键的是，确定好队空和队满的判定条件。

        在⽤数组实现的⾮循环队列中，队满的判断条件是tail == n，队空条件是head == tail。那针对循环队列，如何判断队空和队满呢？

        队列为空的判断条件仍然是head == tail。但队列满的判断条件就稍微有点复杂了。我画了⼀张队列满的图，你可以看⼀下，试着总结⼀下规律。

         就像我图中画的队满的情况，tail=3，head=4，n=8，所以总结⼀下规律就是：(3+1)%8=4。多画⼏张队满的图，你就会发现，当队满时，(tail+1)%n=head。

        你有没有发现，当队列满时，图中的tail指向的位置实际上是没有存储数据的。所以，循环队列会浪费⼀个数组的存储空间。
        Talk is cheap，如果还是没怎么理解，那就show you code吧。

public class CircularQueue {// 数组：items，数组大小：nprivate String[] items;private int n = 0;// head表示队头下标，tail表示队尾下标private int head = 0;private int tail = 0;// 申请一个大小为capacity的数组public CircularQueue(int capacity) {items = new String[capacity];n = capacity;}// 入队public boolean enqueue(String item) {// 队列满了if ((tail + 1) % n == head) return false;items[tail] = item;tail = (tail + 1) % n;return true;}// 出队public String dequeue() {// 如果head == tail 表示队列为空if (head == tail) return null;String ret = items[head];head = (head + 1) % n;return ret;}
}

3.队列应用介绍

(1) 阻塞队列 (入队、出队阻塞)

• 队列空时：从队头取数据会被阻塞，直到队列中有了数据才能返回；
• 队列满时：在队尾插入数据会被阻塞，直到队列中有空闲位置后再插入数据，然后再返回。

      ②阻塞原型本质是生产者与消费者

 在多线程情况下，会有多个线程同时操作队列，但这个时候就会存在线程安全问题。见并发队列解决方案。

(2) 并发队列队列 (多线程操作)

①并发原理（关注锁粒度即可）

• 最简单直接的实现方式是直接在enqueue()、dequeue()方法上加锁，但是锁粒度大并发度会比较低，同一时刻仅允许一个生产者存或者消费者取操作。

• 实际上，基于数组的循环队列，利用CAS原子操作，可以实现非常高效的并发队列。这也是循环队列比链式队列应用更加广泛的原因。

②并发请求处理策略

• 非阻塞方式： 请求满时，直接拒绝任务请求

• 阻塞方式：请求满时，排队等候直到有空闲线程处理

③采用不同数据结构实现特点

• 链表实现： 无限排队的无界队列，但是可能会导致过多的请求排队等待，请求处理的响应时间过长。不适合快速响应系统

• 数组实现： 队列的大小有限，所以线程池中排队的请求超过队列大小时，接下来的请求就会被拒绝。适合快速响应系统。队列太大导致等待的请求太多，队列太小会导致无法充分利用系统资源、发挥最大性能（太大请求超时，太小降低并发量浪费资源）。

④CAS实现无锁并发队列原理

• 入队前：获取队列tail位置，入队时比较tail位置是否发生变化，如果未变化，则允许入队。否则拒绝本次请求。

• 出队前：获取队列head位置，同上比较是否发生变化，若未变化则允许出队。

⑤Kafka分布式消息队列原理（待补充）