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()和出栈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。
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所以，队列跟栈一样，也是一种操作受限的线性表数据结构。

顺序队列

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。

  2. // 用数组实现的队列
  3. public class ArrayQueue
  4. {
  5.     // 数组：items，数组大小：n
  6.     private string[] items;
  7.     private int n = 0;
  8.     // head表示队头下标，tail表示队尾下标
  9.     private int head = 0;
  10.     private int tail = 0;
  12.     // 申请一个大小为capacity的数组
  13.     public ArrayQueue(int capacity)
  14.     {
  15.         items = new string[capacity];
  16.         n = capacity;
  17.     }
  19.     // 入队
  20.     public bool Enqueue(string item)
  21.     {
  22.         // 如果tail == n 表示队列已经满了
  23.         if (tail == n) return false;
  24.         items[tail] = item;
  25.         ++tail;
  26.         return true;
  27.     }
  29.     // 出队
  30.     public string Dequeue()
  31.     {
  32.         // 如果head == tail 表示队列为空
  33.         if (head == tail) return null;
  34.         // 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
  35.         string result = items[head];
  36.         ++head;
  37.         return result;
  38.     }
  39. }

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。
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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。
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但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。

我们只需要在入队时，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。

// 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;
    }

    // 入队操作，将item放入队尾
    public bool 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;
    }

    // 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 result = items[head];
        ++head;
        return result;
    }
}

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，充分利用预设好的空间。

循环队列

上述方法，会进行数据搬移操作，这样的话，入队性能就会收到影响，我们使用循环队列就可以避免循环队列。
什么是循环队列呢？
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。
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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：
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循环队列的难点在于如何判断队列为满，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。

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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。

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 bool 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 result = items[head];
        head = (head + 1) % n;
        return result;
    }
}

阻塞队列和并发队列

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。
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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”。
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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。

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？

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。