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干货 | 45张图庖丁解牛18种Queue,你知道几种?

作者:互联网

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干货 | 45张图庖丁解牛18种Queue

封面

在讲《21张图讲解集合的线程不安全》那一篇,我留了一个彩蛋,就是Queue(队列)还没有讲,这次我们重点来看看Java中的Queue家族,总共涉及到18种Queue。这篇恐怕是市面上最全最细 讲解Queue的。

本篇主要内容如下:

本篇主要内容

帮你总结好的阻塞队列:

18种Queue总结

一、Queue自我介绍

队列原理图

1.1 Queue自我介绍

hi,大家好,我的英文名叫Queue,中文名叫队列,无论现实生活中还是计算机的世界中,我都是一个很重要的角色哦~

我是一种数据结构,大家可以把我想象成一个数组,元素从我的一头进入、从另外一头出去,称为FIFO原则(先进先出原则)。

我还有两个亲兄弟:List(列表)、Set(集),他们都是Collection的儿子,我还有一个远房亲戚:Map(映射)。他们都是java.util包这个大家庭的成员哦~

1.2 现实生活中的场景

1.3 计算机世界中的场景

二、高屋建瓴,纵览全局

18种队列分为三大类: 接口、抽象类、普通类。

弄清楚下面的继承实现关系对后面理解18种队列有很大帮助。

18个Queue的继承实现关系图

注意:

三、万物归宗Queue接口

2.1 深入理解Queue接口的本质

2.2 Queue接口的核心方法

总共有3组方法,每一组方法对应两个方法。如下图所示:

Queue的核心方法

动作抛异常返回特殊值
Insertadd(e)offer(e)
Removeremove()poll
Examineelement()peek()

四、双端可用Deque接口

4.1 深入理解Deque接口的原理

双端队列Deque

(1)Deque概念: 支持两端元素插入和移除的线性集合。名称deque是双端队列的缩写,通常发音为deck。大多数实现Deque的类,对它们包含的元素的数量没有固定的限制的,支持有界和***。

(2)Deque方法说明:

Deque方法

**说明: **

Deque等价于Queue的方法

比如Queue的add方法和Deque的addLast方法等价。

注意:peek方法不论是作为栈还是队列,都是从队列的检测队列的头,返回最先加入的元素。比如第一次put 100,第二次put 200,则peek返回的是100。如下图所示:

示例代码

4.1 哪些类实现了Deque接口

4.2 哪些类继承了Deque接口

五、队列骨架AbstractQueue抽象类

5.1  深入理解AbstractQueue抽象类

AbstractQueue是一个抽象类,继承了Queue接口,提供了一些Queue操作的骨架实现。

AbstractQueue的方法

方法add、remove、element方法基于offer、poll和peek。也就是说如果不能正常操作,则抛出异常。我们来看下AbstactQueue是怎么做到的。

public boolean add(E e) {
    if (offer(e))
        return true;
    else
        throw new IllegalStateException("Queue full");
}
public E remove() {
    E x = poll();
    if (x != null)
        return x;
    else
        throw new NoSuchElementException();
}
public E element() {
    E x = peek();
    if (x != null)
        return x;
    else
        throw new NoSuchElementException();
}

注意:

5.2 哪些类继承了AbstractQueue抽象类

六、阻塞缓冲BlockingQueue接口

6.1 宏观来看BlockingQueue(阻塞队列)

阻塞队列满了的情况

阻塞队列为空的情况

(1)BlockingQueue(阻塞队列)也是一种队列,支持阻塞的插入和移除方法。

(3)阻塞的插入:当队列满时,队列会阻塞插入元素的线程,直到队列不满。

(4)阻塞的移除:当队列为空,获取元素的线程会等待队列变为非空。

(5)应用场景:生产者和消费者,生产者线程向队列里添加元素,消费者线程从队列里移除元素,阻塞队列时获取和存放元素的容器。

(6)为什么要用阻塞队列:生产者生产和消费者消费的速率不一样,需要用队列来解决速率差问题,当队列满了或空的时候,则需要阻塞生产或消费动作来解决队列满或空的问题。

6.2 案例解析

线程A往阻塞队列(Blocking Queue)中添加元素,而线程B从阻塞队列中移除元素。

6.3 操刀BlockingQueue接口

BlockingQueue接口的10个核心方法:

继承的方法

10个核心方法总结如下:

BlockingQueue接口的10个核心方法

有三大类操作:插入、移除、检查。

6.4 BlockingQueue通过什么来阻塞插入和移除的?

6.5 哪些类继承了BlockingQueue接口?

6.6 哪些类实现了BlockingQueue接口?

6.6 BlockingQueue接口继承了哪些接口

七、双端阻塞BlockingDeque接口

7.1 从原理图上理解BlockDeque

BlockingDeque满了

BlockQueue为空

7.2 BlockingDeque接口方法

是阻塞队列BlockingQueue和双向队列Deque接口的结合。有如下方法:

BlockingDeque接口方法

示例:

尝试执行以下方法:

LinkedBlockingDeque queue = new LinkedBlockingDeque();
queue.addFirst("test1");
queue.addFirst(300);
queue.addLast("400");

最后队列中的元素顺序如下:

300, test1, 400。

先添加了test1放到队列的头部,然后在头部的前面放入300,所以300在最前面,成为头部,然后将400放入队列的尾部,所以最后的结果是300, test1, 400。

队列种的元素

7.3 BlockDeque和BlockQueue的对等方法

mark

7.4 BlockingDeque的特点

7.5 BlockingDeque接口继承了哪些接口?

7.6 哪些类实现了BlockDeque接口?

八、使命必达TransferQueue接口

8.1 Transfer怎么理解?

如果有消费者正在获取元素,则将队列中的元素传递给消费者。如果没有消费者,则等待消费者消费。我把它称作使命必达队列,必须将任务完成才能返回。

8.2 生活中的案例

8.3 TransferQueue的原理解析

8.3 TransferQueue接口继承了哪些接口?

8.4 哪些类实现了TransferQueue接口?

九、优先由你PriorityQueue类

9.1 理解PriorityQueue类

本应该按照升序排序

按照自定义优先级排序

public PriorityQueue(Comparator<? super E> comparator) {
     this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, comparator);
}
public Comparator<? super E> comparator() {
    return comparator;
}

9.2 PriorityQueue类继承了哪些类?

9.2 PriorityQueue类实现了哪些接口?

十、双向链表LinkedList类

10.1 LinkedList的结构

LinkedList的结构

我们来看下节点类Node

private static class Node<E> {
    E item; //元素
    Node<E> next; //向后的节点链接
    Node<E> prev; //向前的节点链接

    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

10.2 与ArrayList的区别

10.3 LinkedList不是线程安全的

LinkedList不是线程安全的,所以可以使用如下方式保证线程安全。

List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList<>());

10.4 LinkedList的家庭成员关系

十一、并发安全ConcurrentLinkedQueue类

11.1 理解ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue原理

ConcurrentLinkedQueue queue = new ConcurrentLinkedQueue();
BuildingBlockWithName buildingBlock = new BuildingBlockWithName("三角形", "A");
concurrentLinkedQueue.add(buildingBlock);

11.2 ConcurrentLinkedQueue类继承了哪些类?

11.3 ConcurrentLinkedQueue类实现了哪些接口?

十二、双向数组ArrayDeque类

ArrayDeque原理图

12.1 理解ArrayDeque

12.2 使用方法

创建一个ArrayDeque,往arrayDeque队尾添加元素。

ArrayDeque arrayDeque = new ArrayDeque();
for (int i = 0; i < 50; i++) {
    arrayDeque.add(buildingBlock); // add方法等价于addLast方法
}

12.3 ArrayDeque实现了哪些接口

十三、双向并发ConcurrentLinkedDeque类

13.1 理解ConcurrentLinkedDeque类

ConcurrentLinkedDeque原理图

13.2 ConcurrentLinkedDeque使用示例

创建两个积木:三角形、四边形,然后添加到队列:

BuildingBlockWithName buildingBlock1 = new BuildingBlockWithName("三角形", "A");
BuildingBlockWithName buildingBlock2 = new BuildingBlockWithName("四边形", "B");
ConcurrentLinkedDeque concurrentLinkedDeque = new ConcurrentLinkedDeque();
concurrentLinkedDeque.addFirst(buildingBlock1);
concurrentLinkedDeque.addLast(buildingBlock2);
//结果:顺序:三角形、四边形

13.3 ConcurrentLinkedDeque实现了哪些接口

十四、数组阻塞ArrayBlockingQueue类

14.1 理解ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueuey原理图

14.2 ArrayBlockingQueue使用示例

创建两个积木:三角形、四边形,然后添加到队列:

BuildingBlockWithName buildingBlock1 = new BuildingBlockWithName("三角形", "A");
BuildingBlockWithName buildingBlock2 = new BuildingBlockWithName("四边形", "B");
ArrayBlockingQueue arrayBlockingQueue = new ArrayBlockingQueue(100, true);
arrayBlockingQueue.add(buildingBlock1);
arrayBlockingQueue.add(buildingBlock2);

14.3 ArrayBlockQueue实现了哪些接口

十五、链表阻塞LinkedBlockingQueue类

15.1 理解LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue原理

15.2 LinkedBlockingQueue使用示例

LinkedList linkedList1 = new LinkedList();
linkedList1.add("A");
linkedList1.add("B");
linkedList1.add("C");

15.3 LinkedBlockingQueue的应用场景

15.4 LinkedBlockingQueue实现了哪些接口

十六、双向阻塞LinkedBlockingDeque类

16.1 理解LinkedBlockingDeque类

LinkedBlockingDeque原理图

16.2 LinkedBlockingDeque的应用场景

LinkedBlockingDeque可以用在“工作窃取“模式中。

工作窃取算法:某个线程比较空闲,从其他线程的工作队列中的队尾窃取任务来帮忙执行。

16.3 LinkedBlockingDeque实现了哪些接口

十七、链表阻塞LinkedTransferQueue类

17.1 理解LinkedTransferQueue类

LinkedTransferQueue原理图

LinkedTransferQueue = 阻塞队列+链表结构+TransferQueue

之前我们讲“使命必达TransferQueue接口时已经介绍过了TransferQueue接口 ,所以LinkedTransferQueue接口跟它相似,只是加入了阻塞插入和移除的功能,以及结构是链表结构。

之前的TransferQueue也讲到了3个案例来说明TransferQueue的原理,大家可以回看TransferQueue。

17.2 LinkedTransferQueue接口比其他阻塞队列多了5个方法

17.3 LinkedTransferQueue代码示例

生产者1 依次往队列中添加 A、B、C

生产者2 依次往队列中添加 D、E、F

消费者消费元素

生产者1     transfer A 
生产者2     transfer D 

2s后...
  
消费者      take A
生产者1     put B 
 
2s后...
     
消费者      take D
生产者2     transfer E 
    
2s后...
  
消费者      take B
生产者1     transfer C

(1)首先生产者线程1和2 调用transfer方法来传输A和D,发现没有消费者线程接收,所以被阻塞。

(2)消费者线程过了2s后将A拿走了,然后生产者1 被释放继续执行,传输元素B,发现又没有消费者消费,所以进行了等待。

(3)消费者线程过了2s后,将排在队列首部的D元素拿走,生产者2继续往下执行,传输元素E,发现没有消费者,所以进行了等待。

(4)消费者线程过了2s后,将排在队列首部的B元素拿走,生产者1传输C元素,等待消费者拿走。

(5)消费者不再消费了,所以生产者1和生产者2都被阻塞了,元素C和,元素E都没有被拿走,而且生产者2的F元素还没有开始传输,因为在等待元素D被拿走。

(6)看下队列里面确实有C和E元素,而且E排在队列的首部。

队列里面的元素

17.4 LinkedTransferQueue实现了哪些接口

十八、传球好手SynchronousQueue类

18.1 理解SynchronousQueue类

SynchronousQueue原理图

18.2 SynchronousQueue示例

我们创建了两个线程,一个线程用于生产,一个线程用于消费

生产的线程依次put A、B、C三个值

消费线程每隔5s调用take方法

t1     put A 
t2     take A 

5秒后...

t1     put B 
t2     take B 

5秒后...

t1     put C 
t2     take C

小结:说明生产线程执行put第一个元素"A" 操作后,需要等待消费者线程take完“A”后,才能继续往下执行代码。

18.3 SynchronousQueue应用场景

18.4 SynchronousQueue和LinkedTransferQueue的区别

十九、优先级阻塞PriorityBlockingQueue类

19.1 理解PriorityBlockQueue类

PriorityBlockQueue的原理图

19.2 PriorityBlockQueue实现了哪些接口

二十、延时阻塞DelayQueue类

20.1 理解DelayQueue

DelayQueue原理图

public class DelayQueue<E extends Delayed> extends AbstractQueue<E>
    implements BlockingQueue<E> {

20.2 源码解析

public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) {
    return offer(e);
}
if (first == null || first.getDelay(NANOSECONDS) > 0)
    return null;
else
    return q.poll();

poll方法

20.3 应用场景

20.4 DelayQueue实现了哪些接口

这一篇花了很多心思在上面,看官方英文文档、画原理图、写demo代码,排版。这恐怕是市面上最全最细讲解Queue的。

mark

你好,我是悟空哥「7年项目开发经验,全栈工程师,开发组长,超喜欢图解编程底层原理」。正在编写两本PDF,分别是 1、Spring Cloud实战项目(佳必过),2、Java并发必知必会。我还手写了2个小程序,Java刷题小程序,PMP刷题小程序,点击我的公众号菜单打开!另外有111本架构师资料以及1000道Java面试题,都整理成了PDF,可以关注公众号 「悟空聊架构」 回复 悟空 领取优质资料。

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标签:庖丁解牛,元素,队列,18,45,阻塞,接口,线程,方法
来源: https://blog.51cto.com/u_11950846/2716724