数组队列如何手撕？解密ArrayBlockingQueue的实现内幕！

2024-03-04 23:47:00

队列

聊起队列，你一定会联想到一个与队列相似的数据结构:栈。

为了更好的理解什么是队列，我们将它和栈来比较一下：

队列的特点是：先进先出，如下图，1先进，1就先出。

图1：队列的图解

栈的特点是：先进后出，如下图，1先进，1却最后出。

图2：栈的图解

为了让你更好的区分与理解队列与栈，你只记住这个口诀：吃多了拉就是队列，吃多了吐就是栈。

哈哈哈，千万不要告诉别人这是我告诉你的....

数组实现队列，难在哪？

数组实现队列，乍一看，很贴合的一种方式去实现队列。仔细推敲一下你会发现并不简单。

为了更看清数组存在什么问题，我先new一个size为4的数组：

图3：大小为4的数组

下一步，向数组中入列4个元素，数组按照0、1、2、3的下标被填充：

图4：队列写满

继续，消费两个元素，我们按照先进先出的原则，消费掉下标为0、1的元素，如图：

图5：从队列消费2个元素

如果继续入列，你会发现：最大的下标3已经被占用，而数组依然存在空间。无法入列，造成空间浪费！

数组队列如何解决困难？

思维活跃的程序员，不可能因为遇到困难而畏惧！更不可能存在空间，而无法使用。就像饥肠辘辘，食物摆在眼前，却不知道如何吃掉它！

方案一：扩

了解过ArrayList、HashMap的朋友肯定知道空间不够，那就扩。当发现空间不够用，我们是否可以将空间扩成原来的2倍？,像下图这样：

图6：数组扩容

是办法，但是不是最好的办法。因为下标为0和1的空间，无法利用和回收，造成浪费！，不妥！也不可取！有人说无所谓，钱不是问题，金主直接return~

方案二：移

既然存在空间无法利用，那发现数组空间满了之后，是否可以将元素进行挪动呢？如图：

图7：数组元素移动

是办法，是比方案一更好的办法，但依然不是最好的办法。那这又为什么呢？想想，两个数据的挪动，貌似没有什么成本，但是如果是1万甚至更多元素挪动，会带来什么呢？对！更高的时间复杂度，即o(n)。

除了扩和移，真的没有其他的办法？有的，今天给大家介绍一个新玩法：循环队列。

循环数组队列

说起循环，大家肯定脑海中呈现出头尾相连的一个环，就是循环。是的！循环数组队列就是这样的结构，将你认知的连续的长长的数组，抽象成一个环,就是下图：

图8：循环数组队列

在图5数组队列的基础上，继续入列一个元素，如下图：

图9：循环数组队列追加元素

入列后的数组，你试着把它想象成一个环状，如果再继续入列元素，会放到下标为1的位置。

因此循环数组队列很好地解决了之前两种方案的缺点：
1.空间浪费无法充分利用
2.数据迁移导致的o(n)的时间复杂度

如何实现循环数组队列

属性定义&说明

实现循环数组队列，需要定义几个关键的属性，以帮助我们更好地代码实现:

capicity
队列的容量大小
items
定义的数组，容纳元素
head
出列的头部数组下标，指向下次出列的位置
tail
入列的尾部数组下标，指向下次入列的位置
size
队列入列的元素个数

代码实现

public class LoopQueue<T> {
    // 容量
    private int capicity;

    // 队列元素
    private Object[] items;

    // 头部位置
    private int head = 0;

    // 尾部位置
    private int tail = 0;

    // 大小
    private int size = 0;

    public LoopQueue(int capicity) {
        this.capicity = capicity;
        this.items = new Object[capicity];
    }

    public boolean enqueue(T t) {
        // 如果超出容量，直接返回入列失败
        if (size >= capicity) {
            return false;
        }
        // 到尾部了，但是还没有满，tail重置
        if (tail == capicity) {
            tail = 0;
        }
        // 数组tail位置放置元素，并将tail自增
        this.items[tail++] = t;
        // 大小累加
        size++;
        return true;
    }

    public T dequeue() {
        // 队列无元素，直接返回空
        if (size <= 0) {
            return null;
        }

        // 到尾部了，但是还没有满，head重置
        if (head == capicity) {
            head = 0;
        }
        // size自减少
        size--;
        // 获取元素并自增head
        return (T) this.items[head++];
    }

    public static void main(String[] args) {
        LoopQueue<Integer> queue = new LoopQueue<Integer>(6);
        for (int i = 0; i < 7; i++) {
            System.out.println(queue.enqueue(i));
        }

        for (int i = 0; i < 7; i++) {
            System.out.println(queue.dequeue());
        }
    }
}

上述代码，已经增加了注释，你可以直接拷贝试验下。

main方法中可直接运行测试:定义容量为6的数组队列，入列7次后，出列7次，运行结果如图：

图10：循环数组运行结果

位置1因为空间已满，无法入列,返回false
位置2因为队列已空，出列的元素为空

ArrayBlockingQueue解密

为了研究下数组队列在JDK中如何实现的，我特地看了下ArrayBlockingQueue的源码：

put方法入口，当空间满了，阻塞：

图11：put方法

如果空间没有满，进入第2步，enqueue方法，实现逻辑也采用的循环数组队列：

图12：enqueue方法

写在最后

数组队列用了较长的篇幅在讨论，采用循环的思路很优雅地解决了空间利用问题。

不知道你有没有发现一个问题，JDK中的ArrayBlockingQueue的构造函数全部都需要初始化capacity:

图13：ArrayBlockingQueue构造函数

因为使用数组需要初始化空间，所以需要初始化capacity。

留一道思考题：有没有实现无限空间的队列的方法呢？
不妨打开JDK寻找下答案~

我是面试怪圈的kazz，访问面试怪圈官网-www.msgqer.com下载无限免费资料！欢迎添加公众号一起讨论：

码农公寓

队列