二、基础数据结构 (6)

环形队列

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,队空的判断条件是 head == tail。

循环队列,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。

循环队列

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。

还有一点是当队列满时,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。

public class CircularQueue { // 数组: items,数组大小: n private 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、阻塞队列和并发队列

阻塞队列其实就是在队列基础上增加了阻塞操作。

简单来说,就是在队列为空的时候,从队头取数据会被阻塞。因为此时还没有数据可取,直到队列中有了数据才能返回;

如果队列已经满了,那么插入数据的操作就会被阻塞,直到队列中有空闲位置后再插入数据,然后再返回。

阻塞队列

上述的定义就是一个“生产者-消费者模型”!我们可以使用阻塞队列,轻松实现一个“生产者-消费者模型”!

这种基于阻塞队列实现的“生产者-消费者模型”,可以有效地协调生产和消费的速度。

当“生产者”生产数据的速度过快,“消费者”来不及消费时,存储数据的队列很快就会满了。这个时候,生产者就阻塞等待,直到“消费者”消费了数据, “生产者”才会被唤醒继续“生产”。

而且不仅如此,基于阻塞队列,我们还可以通过协调“生产者”和“消费者”的个数,来提高数据的处理效率。比如前面的例子,我们可以多配置几个“消费者”,来应对一个“生产者”。

阻塞队列

阻塞队列,在多线程情况下,会有多个线程同时操作队列,这个时候就会存在线程安全问题,那如何实现一个线程安全的队列呢?

线程安全的队列我们叫作并发队列。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存或者取操作。

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。

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