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”结构。

我们知道，栈一般只支持入栈（push）和出栈（pop）这两个基本操作。队列跟栈非常相似，支持的操作也很有限：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。队列作为一种非常基础的数据结构，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。还有高性能队列 Disruptor、Linux 环形缓存，都用到了循环并发队列。

队列的实现

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。

1. 顺序队列

public class ArrayQueue {
    private final String[] item;
    /** 队列头元素数组下标 */
    private int head;
    /** 队列尾元素数组下标 */
    private int tail;
    public ArrayQueue(int capacity) {
        item = new String[capacity];
    }
    /**
     * 入队到队尾
     */
    public boolean enqueue(String s) {
        // 队满
        if (tail == item.length) {
            return false;
        }
        item[tail] = s;
        ++tail;
        return true;
    }
    /**
     * 从队头出队
     */
    public String dequeue() {
        // 如果队头和队尾重合，则队列中没有元素
        if (head == tail) {
            return null;
        }
        String value = item[head];
        ++head;
        return value;
    }
}

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 head 指针，一个 tail 指针。如下图，当 a、b、c、d 依次入队后，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。

如图所示，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。对此，我们可以采用数据搬移！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，就可以解决刚才的问题了。下面是具体的代码：

public boolean enqueue(String value) {
    // 队满
    if (tail == item.length) {
        if (head > 0) {
            // 有空余空间
            for (int i = 0; i < head; i++) {
                item[i] = item[i + head];
            }
            // 搬移完之后重新更新head和tail
            tail = tail - head;
            head = 0;
        } else {
            // 表示整个队列都占满了
            return false;
        }
    }
    item[tail] = value;
    tail++;
    return true;
}

从代码中可以看到，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。

2. 链式队列

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。

代码实现如下：

public class LinkedQueue {

    private Node head;
    private Node tail;

    /**
     * 入队（尾插）
     */
    public void enqueue(String s) {
        Node node = new Node(s);
        if (tail == null) {
            head = node;
            tail = node;
        } else {
            tail.next = node;
            tail = node;
        }
    }

    /**
     * 出队（取头）
     */
    public String dequeue() {
        if (head == null) {
            return null;
        }
        String value = head.value;
        head = head.next;
        // 只有一个节点时
        if (head == null) {
            tail = null;
        }
        return value;
    }
}

3. 循环队列

我们刚才用数组来实现队列的时候，为了复用数组，在 tail==n 时，我们可以进行数据搬移操作，但这样入队操作的性能就会受到影响。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。循环队列本质上就是一个环。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。

可以看到，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，我们就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，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 == array.length()，队空的判断条件是 head == tail。那针对循环队列，队空的判断条件仍然是 head == tail。但队满的判断条件就稍微有点复杂了。

上图中画的队满的情况，tail=3，head=4，length=8，所以总结一下规律就是：(3+1)%8=4。多画几张循环队列满的图，你就会发现，当队满时，(tail+1)%length=head。注意，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 ArrayCycleQueue {

    private final String[] item;
    /** 数组大小 */
    private int n;
    /** 头指针 */
    private int head;
    /** 尾指针 */
    private int tail;

    public CycleQueue(int capacity) {
        item = new String[capacity];
        n = capacity;
    }

    public boolean enqueue(String s) {
        // 队满
        if ((tail + 1) % n == head) {
            return false;
        }
        item[tail] = s;
        // 循环
        tail = (tail + 1) % n;
        return true;
    }

    public String dequeue() {
        if (head == tail) {
            return null;
        }
        String ret = item[head];
        // 循环
        head = (head + 1) % n;
        return ret;
    }
}

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。

上述的定义就是一个“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。此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。

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”。

在多线程情况下，会有多个线程同时操作队列，此时就会存在线程安全问题，线程安全的队列我们又叫作并发队列。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。