数组队列如何手撕?解密ArrayBlockingQueue的实现内幕!
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。
栈的特点是:先进后出
,如下图,1先进,1却最后出。
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:
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:
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:
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:
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:
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:
在图5数组队列的基础上,继续入列一个元素,如下图:
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:
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
:
- 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
:
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
:
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~
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