09 | 队列:队列在线程池等有限资源池中的应用

我们知道,CPU资源是有限的,任务的处理速度与线程个数并不是线性正相关。相反,过多的线程反而会导致CPU频繁切换,处理性能下降。所以,线程池的大小一般都是综合考虑要处理任务的特点和硬件环境,来事先设置的。

当我们向固定大小的线程池中请求一个线程时,如果线程池中没有空闲资源了,这个时候线程池如何处理这个请求?是拒绝请求还是排队请求?各种处理策略又是怎么实现的呢?

实际上,这些问题并不复杂,其底层的数据结构就是我们今天要学的内容,队列(queue)。

如何理解“队列”?

队列这个概念非常好理解。你可以把它想象成排队买票,先来的先买,后来的人只能站末尾,不允许插队。先进者先出,这就是典型的“队列

我们知道,栈只支持两个基本操作:入栈push()出栈pop()。队列跟栈非常相似,支持的操作也很有限,最基本的操作也是两个:入队enqueue(),放一个数据到队列尾部;出队dequeue(),从队列头部取一个元素。

所以,队列跟栈一样,也是一种操作受限的线性表数据结构

队列的概念很好理解,基本操作也很容易掌握。作为一种非常基础的数据结构,队列的应用也非常广泛,特别是一些具有某些额外特性的队列,比如循环队列、阻塞队列、并发队列。它们在很多偏底层系统、框架、中间件的开发中,起着关键性的作用。比如高性能队列Disruptor、Linux环形缓存,都用到了循环并发队列;Java concurrent并发包利用ArrayBlockingQueue来实现公平锁等。

顺序队列和链式队列

我们知道了,队列跟栈一样,也是一种抽象的数据结构。它具有先进先出的特性,支持在队尾插入元素,在队头删除元素,那究竟该如何实现一个队列呢?

跟栈一样,队列可以用数组来实现,也可以用链表来实现。用数组实现的栈叫作顺序栈,用链表实现的栈叫作链式栈。同样,用数组实现的队列叫作顺序队列,用链表实现的队列叫作链式队列

我们先来看下基于数组的实现方法。我用Java语言实现了一下,不过并不包含Java语言的高级语法,而且我做了比较详细的注释,你应该可以看懂。

// 用数组实现的队列
public class ArrayQueue {
  // 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 ArrayQueue(int capacity) {
    items = new String[capacity];
    n = capacity;
  }

  // 入队
  public boolean enqueue(String item) {
    // 如果tail == n 表示队列已经满了
    if (tail == n) return false;
    items[tail] = item;
    ++tail;
    return true;
  }

  // 出队
  public String dequeue() {
    // 如果head == tail 表示队列为空
    if (head == tail) return null;
    // 为了让其他语言的同学看的更加明确,把--操作放到单独一行来写了
    String ret = items[head];
    ++head;
    return ret;
  }
}

比起栈的数组实现,队列的数组实现稍微有点儿复杂,但是没关系。我稍微解释一下实现思路,你很容易就能明白了。

对于栈来说,我们只需要一个栈顶指针就可以了。但是队列需要两个指针:一个是head指针,指向队头;一个是tail指针,指向队尾。

你可以结合下面这张图来理解。当a、b、c、d依次入队之后,队列中的head指针指向下标为0的位置,tail指针指向下标为4的位置。

当我们调用两次出队操作之后,队列中head指针指向下标为2的位置,tail指针仍然指向下标为4的位置。

你肯定已经发现了,随着不停地进行入队、出队操作,head和tail都会持续往后移动。当tail移动到最右边,即使数组中还有空闲空间,也无法继续往队列中添加数据了。这个问题该如何解决呢?

你是否还记得,在数组那一节,我们也遇到过类似的问题,就是数组的删除操作会导致数组中的数据不连续。你还记得我们当时是怎么解决的吗?对,用数据搬移!但是,每次进行出队操作都相当于删除数组下标为0的数据,要搬移整个队列中的数据,这样出队操作的时间复杂度就会从原来的O(1)变为O(n)。能不能优化一下呢?

实际上,我们在出队时可以不用搬移数据。如果没有空闲空间了,我们只需要在入队时,再集中触发一次数据的搬移操作。借助这个思想,出队函数dequeue()保持不变,我们稍加改造一下入队函数enqueue()的实现,就可以轻松解决刚才的问题了。下面是具体的代码:

   // 入队操作,将item放入队尾
  public boolean enqueue(String item) {
    // tail == n表示队列末尾没有空间了
    if (tail == n) {
      // tail ==n && head==0,表示整个队列都占满了
      if (head == 0) return false;
      // 数据搬移
      for (int i = head; i < tail; ++i) {
        items[i-head] = items[i];
      }
      // 搬移完之后重新更新head和tail
      tail -= head;
      head = 0;
    }
    
    items[tail] = item;
    ++tail;
    return true;
  }

从代码中我们看到,当队列的tail指针移动到数组的最右边后,如果有新的数据入队,我们可以将head到tail之间的数据,整体搬移到数组中0到tail-head的位置。

这种实现思路中,出队操作的时间复杂度仍然是O(1),但入队操作的时间复杂度还是O(1)吗?你可以用我们第3节、第4节讲的算法复杂度分析方法,自己试着分析一下。

接下来,我们再来看下基于链表的队列实现方法

基于链表的实现,我们同样需要两个指针:head指针和tail指针。它们分别指向链表的第一个结点和最后一个结点。如图所示,入队时,tail->next= new_node, tail = tail->next;出队时,head = head->next。我将具体的代码放到GitHub上,你可以自己试着实现一下,然后再去GitHub上跟我实现的代码对比下,看写得对不对。

循环队列

我们刚才用数组来实现队列的时候,在tail==n时,会有数据搬移操作,这样入队操作性能就会受到影响。那有没有办法能够避免数据搬移呢?我们来看看循环队列的解决思路。

循环队列,顾名思义,它长得像一个环。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。我画了一张图,你可以直观地感受一下。

我们可以发现,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,队空的判断条件是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: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;
  }
}

阻塞队列和并发队列

前面讲的内容理论比较多,看起来很难跟实际的项目开发扯上关系。确实,队列这种数据结构很基础,平时的业务开发不大可能从零实现一个队列,甚至都不会直接用到。而一些具有特殊特性的队列应用却比较广泛,比如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。

你应该已经发现了,上述的定义就是一个“生产者-消费者模型”!是的,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”。

前面我们讲了阻塞队列,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。在实战篇讲Disruptor的时候,我会再详细讲并发队列的应用。

解答开篇

队列的知识就讲完了,我们现在回过来看下开篇的问题。线程池没有空闲线程时,新的任务请求线程资源时,线程池该如何处理?各种处理策略又是如何实现的呢?

我们一般有两种处理策略。第一种是非阻塞的处理方式,直接拒绝任务请求;另一种是阻塞的处理方式,将请求排队,等到有空闲线程时,取出排队的请求继续处理。那如何存储排队的请求呢?

我们希望公平地处理每个排队的请求,先进者先服务,所以队列这种数据结构很适合来存储排队请求。我们前面说过,队列有基于链表和基于数组这两种实现方式。这两种实现方式对于排队请求又有什么区别呢?

基于链表的实现方式,可以实现一个支持无限排队的无界队列(unbounded queue),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。所以,针对响应时间比较敏感的系统,基于链表实现的无限排队的线程池是不合适的。

而基于数组实现的有界队列(bounded queue),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,这种方式对响应时间敏感的系统来说,就相对更加合理。不过,设置一个合理的队列大小,也是非常有讲究的。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。

除了前面讲到队列应用在线程池请求排队的场景之外,队列可以应用在任何有限资源池中,用于排队请求,比如数据库连接池等。实际上,对于大部分资源有限的场景,当没有空闲资源时,基本上都可以通过“队列”这种数据结构来实现请求排队。

内容小结

今天我们讲了一种跟栈很相似的数据结构,队列。关于队列,你能掌握下面的内容,这节就没问题了。

队列最大的特点就是先进先出,主要的两个操作是入队和出队。跟栈一样,它既可以用数组来实现,也可以用链表来实现。用数组实现的叫顺序队列,用链表实现的叫链式队列。特别是长得像一个环的循环队列。在数组实现队列的时候,会有数据搬移操作,要想解决数据搬移的问题,我们就需要像环一样的循环队列。

循环队列是我们这节的重点。要想写出没有bug的循环队列实现代码,关键要确定好队空和队满的判定条件,具体的代码你要能写出来。

除此之外,我们还讲了几种高级的队列结构,阻塞队列、并发队列,底层都还是队列这种数据结构,只不过在之上附加了很多其他功能。阻塞队列就是入队、出队操作可以阻塞,并发队列就是队列的操作多线程安全。

课后思考

  1. 除了线程池这种池结构会用到队列排队请求,你还知道有哪些类似的池结构或者场景中会用到队列的排队请求呢?

  2. 今天讲到并发队列,关于如何实现无锁并发队列,网上有非常多的讨论。对这个问题,你怎么看呢?

欢迎留言和我分享,我会第一时间给你反馈。


我已将本节内容相关的详细代码更新到GitHub,戳此即可查看。

精选留言

  • 2018-10-10 08:46:32

    1.分布式应用中的消息队列,也是一种队列结构
    2.考虑使用CAS实现无锁队列,则在入队前,获取tail位置,入队时比较tail是否发生变化,如果否,则允许入队,反之,本次入队失败。出队则是获取head位置,进行cas。
    个人浅见,请批评指正
    作者回复

    👍

    2018-10-10 09:34:47

  • wean

    2018-10-10 19:58:30

    队列也是一种“操作受限”的线性表,只支持两种基本操作:入队和出队。

    队列的应用非常广泛,特别是一些具有某些额外特性的队列,比如循环队列、阻塞队列、并发队列。它们在很多偏底层的系统、框架、中间件的开发中,起着关键性的作用。比如高性能队列 Disruptor、Linux 环形缓存,都用到了循环并发队列;Java concurrent 并发包利用 ArrayBlockingQueue 来实现公平锁等。

    关于如何实现无锁并发队列
    可以使用 cas + 数组的方式实现。

    队列的其他应用
    分布式消息队列,如 kafka 也是一种队列。
    作者回复

    👍

    2018-10-11 23:02:39

  • 花见笑

    2018-10-10 09:05:54

    循环队列的长度设定需要对并发数据有一定的预测,否则会丢失太多请求。
    作者回复

    👍

    2018-10-10 10:04:31

  • 公众号:小鹿动画学编程

    2018-10-11 21:35:38

    王争老师,为了更好的区分队列和栈,小鹿给大家一个更好的口诀。
    “吃多了拉就是队列,吃多了吐就是栈”。哈哈!
    作者回复

    😂

    2018-10-12 10:18:38

  • DebugDog

    2018-10-10 14:19:53

    老师,循环队列的数组实现,在您的代码中,入队时会空留出一个位置,而且我感觉不太好理解。我定义一个记录队列大小的值size,当这个值与数组大小相等时,表示队列已满,当tail达到最底时,size不等于数组大小时,tail就指向数组第一个位置。当出队时,size—,入队时size++
    作者回复

    你这个思路挺巧妙的 👍 我暂时还没有想到破绽

    2018-10-11 09:52:16

  • 樱小路依然

    2018-11-12 22:22:30

    循环队列:队列满的表达式
    这里讲一下,这个表达式是怎么来的。在一般情况下,我们可以看出来,当队列满时,tail+1=head。但是,有个特殊情况,就是tail=n-1,而head=0时,这时候,tail+1=n,而head=0,所以用(tail+1)%n == n%n == 0。而且,tail+1最大的情况就是 n ,不会大于 n,这样,tail+1 除了最大情况,不然怎么余 n 都是 tail+1 本身,也就是 head。这样,表达式就出现了。
    作者回复

    👍

    2018-11-13 09:58:45

  • 姜威

    2018-10-12 08:51:09

    队列实现
    一、数组实现
    public class ArrayQueue {
    //存储数据的数组
    private String[] items;
    //记录数组容量
    private int n;
    private int size;
    //head记录队头索引,tail记录队尾索引
    private int head = 0;
    private int tail = 0;
    //申请一个指定容量的队列
    public ArrayQueue(int capacity){
    items = new String[capacity];
    n = capacity;
    }
    /*
    * 入队:
    * 1.堆满的时,入队失败
    * 1.1频繁出入队,造成数组使用不连续
    * 1.2在入队的时候,集中触发进行数据搬移
    * 2.在末尾插入数据,注意tail指向队尾元素的索引+1
    */
    public boolean enqueue(String item){
    //表示队满
    if(head == 0 && tail == n)
    return false;
    //表示需要数据搬移
    else if(head != 0 && tail == n){
    for (int i = head; i < tail; i++) {
    items[i-head] = items[i];
    }
    head = 0;
    tail = tail - head;
    }
    //将数据加入队列
    items[tail++] = item;
    size++;
    return true;
    }
    //出队:1.队空时,出队失败;2.出队,head索引+1
    public String dequeue(){
    String res = null;
    if(head == tail) return res;
    res = items[head++];
    size--;
    return res;
    }
    }
    二、循环队列
    public class LoopArrayQueue {
    //存储数据的数组
    private String[] items;
    //记录数组容量
    private int n;
    private int size = 0;
    //head记录队头索引,tail记录队尾索引
    private int head = 0;
    private int tail = 0;
    //申请一个指定容量的队列
    public LoopArrayQueue(int capacity){
    items = new String[capacity];
    n = capacity;
    }
    //入队:关键在于队满的条件
    public boolean enqueue(String item){
    if ((tail + 1) % n == head) return false;
    items[tail] = item;
    tail = (tail + 1) % n;
    size++;
    return true;
    }
    //出队:关键在于队空的条件
    public String dequeue(){
    String res = null;
    if(head == tail) return res;
    res = items[head];
    head = (head + 1) % n;
    size--;
    return res;
    }
    }
    三、链表实现
    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;
    }
    }
    作者回复

    👍

    2018-10-12 10:09:43

  • J.Smile

    2019-08-20 11:03:47

    在正常情况下,队列的入队和出队操作时间复杂度都是O(1),在进行“数据搬移”改造的情况下,入队的时间复杂度我是这么分析的:

    如果队尾没有满,可以直接入队,时间复杂度为O(1)。

    如果队尾已满的情况下,就必须进行数据搬移了,tail=n,搬移的时间复杂度为O(n).

    总体情况来看,tail的可能是0~n的任意值,在0~n-1的时候队列入队的时间复杂度都是O(1),不需要搬移直接入队即可;只有当tail=n的时候时间复杂度才迅速飙升为O(n),即需要进行n次搬移,此时n次的搬移如果均摊到0~n-1这n次上,其实总体的均摊复杂度还是O(1)。
    老师,我分析的是否正确?
    作者回复

    完全正确!

    2019-08-26 07:01:02

  • 姜威

    2018-10-12 08:49:35

    总结
    一、什么是队列?
    1.先进者先出,这就是典型的“队列”结构。
    2.支持两个操作:入队enqueue(),放一个数据到队尾;出队dequeue(),从队头取一个元素。
    3.所以,和栈一样,队列也是一种操作受限的线性表。
    二、如何实现队列?
    1.队列API
    public interface Queue<T> {
    public void enqueue(T item); //入队
    public T dequeue(); //出队
    public int size(); //统计元素数量
    public boolean isNull(); //是否为空
    }
    2.数组实现(顺序队列):见下一条留言
    3.链表实现(链式队列):见下一条留言
    4.循环队列(基于数组):见下一条留言
    三、队列有哪些常见的应用?
    1.阻塞队列
    1)在队列的基础上增加阻塞操作,就成了阻塞队列。
    2)阻塞队列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,然后在返回。
    3)从上面的定义可以看出这就是一个“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,这时生产者就阻塞等待,直到“消费者”消费了数据,“生产者”才会被唤醒继续生产。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,来提高数据处理效率,比如配置几个消费者,来应对一个生产者。
    2.并发队列
    1)在多线程的情况下,会有多个线程同时操作队列,这时就会存在线程安全问题。能够有效解决线程安全问题的队列就称为并发队列。
    2)并发队列简单的实现就是在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取操作。
    3)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。
    3.线程池资源枯竭是的处理
    在资源有限的场景,当没有空闲资源时,基本上都可以通过“队列”这种数据结构来实现请求排队。
    四、思考
    1.除了线程池这种池结构会用到队列排队请求,还有哪些类似线程池结构或者场景中会用到队列的排队请求呢?
    2.今天讲到并发队列,关于如何实现无锁的并发队列,网上有很多讨论。对这个问题,你怎么看?
    作者回复

    👍

    2018-10-12 10:09:23

  • 阿阳

    2018-10-29 10:37:27

    这里我真心给老师点赞。每节课都是由易到难,由基础到实战场景。比如这一节,先讲解队列的基本性质和实现方式,并做了对比;更重要的是,后面讲到了阻塞队列和并发队列,这个和平时开发遇到的场景类似,理论联系实际,又有代码的实现。
    作为老程序员,这次学习数据结构与算法,不再迷惘,反而激发了学习兴趣。真心感谢老师!
  • asule

    2018-10-18 08:32:15

    很多同学都提到循环队列增加flag来避免浪费最后一个存储空间,那是不是flag本身也需要一个存储空间?
    作者回复

    😄 是的

    2018-10-18 17:56:13

  • 老司机

    2018-10-10 09:03:58

    循环队列真的是比较牛逼的思路,尤其是linux内核源码的kfifo的实现,无论是取模运算转换成取与运算,还是考虑head,tail的溢出,牛逼
  • allean

    2018-11-02 09:31:06

    Q: 「Talk is cheap. Show me the code」怎么翻译比较好?

    A: 屁话少说,放码过来。
    作者回复

    😄

    2018-11-02 09:55:16

  • 蝴蝶

    2018-10-10 01:40:48

    这种实现思路中,出队操作的时间复杂度仍然是 O(1),但入队操作的时间复杂度还是 O(1) 吗想了一下,考虑到head可能等于1,2,n-1,经过计算,觉得均摊和平均时间复杂度还是O(1),对么?
  • 我以为你不看

    2018-10-17 23:40:57

    一直想不明白为什么队列要空出一个空的格不存数据,不是可以直接入队存在tail里,tail++再比较是否超出容量吗。
    作者回复

    循环队列不行的 不然无法区分队空和队满

    2018-10-18 18:02:21

  • Peter丶桥

    2018-10-10 12:36:48

    老师要是有时间对课后问题集中式做下解答就好了
    作者回复

    行的

    2018-10-11 09:52:33

  • 火火火

    2018-10-19 20:35:46

    您尽管更新,我按顺序看。本来就是队列啊
  • HunterYuan

    2019-03-14 08:43:19

    思考题:
    1. 在网卡的收发数据包操作,linux内核协议栈采用循环队列的方式进行处理。
    2.linux内核态ruc和用户态urcu实现了无锁并发访问共享数据,非常适合于读多写少的场景。其核心思想是,拷贝复制链表数据,原子操作移动链表指针,实现真正的无锁操作。
  • 最初的印象

    2018-10-10 11:24:04

    能不能写下阻塞队列和并发队列的代码
    作者回复

    等我有空了吧 最近有点忙

    2018-10-11 09:53:47

  • djane

    2018-10-30 12:03:45

    【笔记】
    一、如何理解“队列”?
    1、队列是一种操作受限的线性表数据结构。
    2、队列最大的特点就是先进先出。
    3、最基本的操作:入队 enqueue(),放一个数据到队列尾部;出队 dequeue(),从队列头部取一个元素。

    二、顺序队列和链式队列
    1、用数组实现的队列叫顺序队列,用链表实现的队列叫链式队列。
    2、队列需要两个指针:一个是 head 指针,指向队头;一个是 tail 指针,指向队尾。
    3、随着不停地进行入队、出队操作,head 和 tail 都会持续往后移动。当 tail 移动到最右边,即使数组中还有空闲空间,也无法继续往队列中添加数据了。
    实际上,我们在出队时可以不用搬移数据。如果没有空闲空间了,只需要在入队时,再集中触发一次数据的搬移操作。出队函数 dequeue() 保持不变,我们稍加改造一下入队函数 enqueue() 的实现,当队列的 tail 指针移动到数组的最右边后,如果有新的数据入队,我们可以将 head 到 tail 之间的数据,整体搬移到数组中 0 到 tail-head 的位置。
    4、基于链表的实现,同样需要两个指针:head 指针和 tail 指针。分别指向链表的第一个结点和最后一个结点。入队时,tail->next= new_node, tail = tail->next;出队时,head = head->next。

    三、循环队列
    1、循环队列,原本数组是有头有尾的,是一条直线。把首尾相连,扳成了一个环。
    2、在数组实现队列的时候,会有数据搬移操作,要想解决数据搬移的问题,需要像环一样的循环队列。
    3、要想写出没有 bug 的循环队列的实现代码,最关键的是,确定好队空和队满的判定条件。
    1)队列为空的判断条件仍然是 head == tail。
    2)当队满时,(tail+1)%n=head。 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。

    四、阻塞队列和并发队列
    1、阻塞队列
    1)阻塞队列就是在队列基础上增加了阻塞操作。
    2)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。
    3)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。

    2、并发队列
    1)线程安全的队列,叫作并发队列。
    2)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。
    3)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。

    五、线程池没有空闲线程时,新的任务请求线程资源时,线程池该如何处理?各种处理策略又是如何实现的呢?
    一般有两种处理策略。第一种是非阻塞的处理方式,直接拒绝任务请求;另一种是阻塞的处理方式,将请求排队,等到有空闲线程时,取出排队的请求继续处理。
    1、基于链表的实现方式,可以实现一个支持无限排队的无界队列(unbounded queue),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。所以,针对响应时间比较敏感的系统,基于链表实现的无限排队的线程池是不合适的。
    2、基于数组实现的有界队列(bounded queue),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,这种方式对响应时间敏感的系统来说,就相对更加合理。不过,设置一个合理的队列大小,也是非常有讲究的。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。
    (除了前面讲到队列应用在线程池请求排队的场景之外,队列可以应用在任何有限资源池中,用于排队请求,比如数据库连接池等。实际上,对于大部分资源有限的场景,当没有空闲资源时,基本上都可以通过“队列”这种数据结构来实现请求排队。)

    【思考】
    一、1、像windows操作系统的消息队列,略高级一些带有优先级。还有qt中的信号与槽函数机制,使用connect链接,其中的参数就是设置为把窗口界面消息放到消息队列,然后一次取出。比如优先级消息,窗口系统关闭,优先级高,则就直接执行关闭操作。
    2、sockets网络连接队列。
    3、数据库连接队列。
    4、一种集群操作,很多客户端像服务端请求资源,处理高并发大量请求。把这些请求放到队列中。
    5、分布式应用中的消息队列,也是一种队列结构。
    二、考虑使用CAS实现无锁队列,则在入队前,获取tail位置,入队时比较tail是否发生变化,如果否,则允许入队,反之,本次入队失败。出队则是获取head位置,进行cas。