簡單易懂的Java Queue入門教程！

哈嘍，各位小伙伴們，你們好呀，我是喵手。運營社區：C站/掘金/騰訊云；歡迎大家常來逛逛

??今天我要給大家分享一些自己日常學習到的一些知識點，并以文字的形式跟大家一起交流，互相學習，一個人雖可以走的更快，但一群人可以走的更遠。

??我是一名后端開發愛好者，工作日常接觸到最多的就是Java語言啦，所以我都盡量抽業余時間把自己所學到所會的，通過文章的形式進行輸出，希望以這種方式幫助到更多的初學者或者想入門的小伙伴們，同時也能對自己的技術進行沉淀，加以復盤，查缺補漏。

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前言

??在軟件開發領域，隊列是一種非常重要的數據結構。它被廣泛應用于多線程、網絡通信、緩存、消息隊列等場景。Java語言提供了多種隊列實現，其中最常用的是Queue接口及其實現類。下面將詳細介紹Java中的Queue及其應用場景。

摘要

??本文將介紹Java中Queue接口及其實現類的概念、源代碼解析、應用場景案例、優缺點分析、類代碼方法介紹、測試用例等內容。原則上，讀者需要掌握Java基礎語法及數據結構相關知識。

Queue

簡介

??Queue是Java中的一種接口，它繼承自Collection接口，并添加了一些隊列相關的方法。Queue的實現類有多種，包括LinkedList、ArrayBlockingQueue、PriorityQueue、ConcurrentLinkedQueue等。下面簡要介紹一下各個實現類的特點：

LinkedList

??LinkedList是Java中的一個雙向鏈表實現類。LinkedList實現了Deque接口，Deque又是Queue接口的子接口，因此LinkedList可以被視為Queue的一種實現。LinkedList的優點是插入、刪除操作效率高，但是隨機訪問效率低。

ArrayBlockingQueue

??ArrayBlockingQueue是Java中的一個基于數組的有界阻塞隊列實現類。它的內部實現類似于一個環形數組，數組的長度是固定的。ArrayBlockingQueue具有先進先出的隊列特性，它支持多線程安全訪問，可以指定等待時間，當隊列滿或空時，線程將被阻塞。

PriorityQueue

??PriorityQueue是Java中的一個帶優先級的隊列實現類。它的內部是一個堆結構，根據元素的排序規則進行排序，每次出隊時都會返回當前隊列中最小（或最大）的元素。PriorityQueue的特點是插入、刪除效率高，但是元素數量較大時遍歷效率不高。

ConcurrentLinkedQueue

??ConcurrentLinkedQueue是Java中的一個基于鏈表的無界并發隊列實現類。ConcurrentLinkedQueue的特點是多線程安全，能夠高效地處理高并發場景。它不支持阻塞操作，而且不保證元素的排序。

源代碼解析

下面我們以ArrayBlockingQueue為例，簡單解析一下它的源代碼。

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {/** The queued items */final Object[] items;/** items index for next take, poll or remove */int takeIndex;/** items index for next put, offer, or add */int putIndex;/** Number of elements in the queue */int count;/** Main lock guarding all access */final ReentrantLock lock;/** Condition for waiting takes */private final Condition notEmpty;/** Condition for waiting puts */private final Condition notFull;// ...
}

??如上所示，ArrayBlockingQueue繼承了AbstractQueue類，并實現了BlockingQueue接口和Serializable接口。其內部使用了一個Object數組items用于存儲隊列中的元素，使用takeIndex和putIndex分別表示下一次取出元素和添加元素的位置，使用count表示隊列中當前元素個數，使用lock實現線程同步，使用notEmpty和notFull兩個Condition實現阻塞和喚醒操作。

如下是部分源碼截圖：

在這里插入圖片描述

應用場景案例

下面介紹一下Queue在實際開發中的應用場景：

消息隊列

在分布式系統中，消息隊列是一種常用的通信方式。生產者向隊列中添加消息，消費者從隊列中取出消息進行處理。Java語言中提供的ActiveMQ和RabbitMQ等消息隊列服務均使用了隊列的相關技術。
線程池

在Java中，線程池通常使用BlockingQueue來存儲待執行的任務。當線程池中的線程已經全部分配任務時，新的任務將會被阻塞，直到有線程可用為止。Java中的ThreadPoolExecutor就是使用了BlockingQueue來存儲待執行的任務。
緩存

??在Java中，緩存通常使用LinkedList或ConcurrentLinkedQueue來實現。緩存存儲的是最近訪問過的元素，當緩存已滿時，新的元素會將最舊的元素移除。

優缺點分析

Queue的優缺點分析如下：

優點

Queue能夠高效地實現元素的插入、刪除以及元素的存儲。Queue還能夠在多線程場景中安全地實現元素的讀寫操作。
缺點

??在某些場景下，Queue可能會存在性能瓶頸。例如當Queue中元素數量較大時，遍歷操作效率較低，此時需要使用其他數據結構來優化性能。另外Queue中元素的順序是固定的，無法對元素的順序進行修改。

類代碼方法介紹

Queue接口中包含了很多常用的方法，下面介紹一下其中一些常用的方法：

add(E e)

將元素e添加到隊列尾部，如果隊列已滿，則拋出IllegalStateException異常。
offer(E e)

將元素e添加到隊列尾部，返回值表示添加操作是否成功。
remove()

移除隊列頭部的元素并返回該元素，如果隊列為空，則拋出NoSuchElementException異常。
poll()

移除隊列頭部的元素并返回該元素，如果隊列為空，則返回null。
element()

返回隊列頭部的元素，如果隊列為空，則拋出NoSuchElementException異常。
peek()

返回隊列頭部的元素，如果隊列為空，則返回null。

測試用例

下面給出ArrayBlockingQueue的測試用例：

測試代碼

package com.example.javase.collection;import java.util.concurrent.*;/*** @Author ms* @Date 2023-10-24 23:32*/
public class QueueTest {private static final int BUFFER_SIZE = 10;private static final int PRODUCER_COUNT = 5;private static final int CONSUMER_COUNT = 5;private static final int ITEM_COUNT = 1000;private static final ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();public static void main(String[] args) throws InterruptedException {ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(BUFFER_SIZE);for (int i = 0; i < PRODUCER_COUNT; i++) {pool.execute(new Producer(queue, ITEM_COUNT));}for (int i = 0; i < CONSUMER_COUNT; i++) {pool.execute(new Consumer(queue, ITEM_COUNT));}TimeUnit.SECONDS.sleep(60);pool.shutdown();}static class Producer implements Runnable {final BlockingQueue<Integer> queue;final int count;Producer(BlockingQueue<Integer> queue, int count) {this.queue = queue;this.count = count;}public void run() {try {for (int i = 0; i < count; i++) {queue.put(i);}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}}static class Consumer implements Runnable {final BlockingQueue<Integer> queue;final int count;Consumer(BlockingQueue<Integer> queue, int count) {this.queue = queue;this.count = count;}public void run() {try {for (int i = 0; i < count; i++) {queue.take();}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}}
}

??這段代碼實現了生產者-消費者模型，使用了Java內置的阻塞隊列ArrayBlockingQueue來作為共享的緩沖區。主要包含了三個部分：

定義了共享緩沖區的大小BUFFER_SIZE、生產者和消費者的數量PRODUCER_COUNT和CONSUMER_COUNT，以及需要生產和消費的數據ITEM_COUNT。
在main方法中，創建一個ArrayBlockingQueue實例，并分別創建PRODUCER_COUNT個生產者線程和CONSUMER_COUNT個消費者線程，然后分別啟動這些線程并等待60秒鐘后關閉線程池。
Producer和Consumer類都實現了Runnable接口。在Producer的run方法中，不斷向隊列中添加數據，直到添加的次數達到ITEM_COUNT；在Consumer的run方法中，不斷從隊列中取出數據，直到取出的次數達到ITEM_COUNT。由于ArrayBlockingQueue是線程安全的，因此不需要做額外的同步處理。

??總的來說，這段代碼展示了如何使用Java內置的阻塞隊列來實現生產者-消費者模型，避免了手動實現同步和互斥的復雜性，提高了代碼的可讀性、可維護性和可復用性。

測試結果

??根據如上測試用例，本地測試結果如下，僅供參考，你們也可以自行修改測試用例或者添加更多的測試數據或測試方法，進行熟練學習以此加深理解。

在這里插入圖片描述

代碼分析

??根據如上測試用例，本地測試結果如下，僅供參考，你們也可以自行修改測試用例或者添加更多的測試數據或測試方法，進行熟練學習以此加深理解。
??該代碼是一個使用 ArrayBlockingQueue 實現的生產者-消費者模型的示例。包含一個主類 ArrayBlockingQueueTest 和兩個內部靜態類 Producer 和 Consumer。主類中創建一個 ArrayBlockingQueue，然后創建 PRODUCER_COUNT 個 Producer 線程和 CONSUMER_COUNT 個 Consumer 線程，并啟動它們。每個 Producer 線程向隊列中插入 ITEM_COUNT 個元素，每個 Consumer 線程從隊列中取出 ITEM_COUNT 個元素。當所有線程運行完畢后，程序將等待 60 秒鐘，然后關閉線程池。

??Producer 和 Consumer 類實現了 Runnable 接口，分別包含一個 BlockingQueue 對象和一個 count 變量。在 run() 方法中，Producer 線程將元素插入隊列中，Consumer 線程從隊列中取出元素。如果隊列已滿（對于 Producer）或者隊列為空（對于 Consumer），線程會進入阻塞狀態。如果線程被中斷，則中斷狀態會被設置并退出線程。

??該示例使用了線程池來管理并發任務，增加效率。使用 ArrayBlockingQueue 實現了并發訪問控制，保證了線程安全。

小結

??Queue是Java中的一個接口，它的實現類包括LinkedList、ArrayBlockingQueue、PriorityQueue、ConcurrentLinkedQueue等。Queue常用于消息隊列、線程池、緩存等場景。在使用Queue時需要注意線程安全性和性能問題。

總結

??本文介紹了Java中Queue接口及其實現類的概念、源代碼解析、應用場景案例、優缺點分析、類代碼方法介紹、測試用例等內容。Queue是Java中常用的數據結構，能夠高效地實現元素的插入、刪除及存儲，在多線程場景中也能保障線程安全。常用的Queue實現類有LinkedList、ArrayBlockingQueue、PriorityQueue、ConcurrentLinkedQueue等，它們都具有各自的優缺點。Queue的應用場景包括消息隊列、線程池、緩存等。在使用Queue時需要注意性能問題和線程安全性。

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