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Java 队列详解：从基础到实战应用

news 2025/10/7 14:32:39

队列（Queue）是计算机科学中一种重要的数据结构，遵循 "先进先出"（FIFO, First-In-First-Out）的原则。在 Java 中，队列被广泛应用于多线程、消息传递、任务调度等场景。本文将全面讲解 Java 队列的相关知识，从基础概念到实际应用，帮助读者深入理解并灵活运用这一数据结构。

一、队列的基本概念

队列是一种线性数据结构，它只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作。进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。

队列的主要操作包括：

入队（enqueue）：将元素添加到队尾
出队（dequeue）：从队头移除并返回元素
查看队头元素（peek）：返回队头元素但不删除
判断队列是否为空（isEmpty）：检查队列中是否有元素

二、Java 中的 Queue 接口

在 Java 集合框架中，队列主要通过java.util.Queue接口来定义，它继承自Collection接口。Queue 接口定义了以下主要方法：

方法	描述	异常情况
`boolean add(E e)`	将元素插入队列	队列满时抛出`IllegalStateException`
`boolean offer(E e)`	将元素插入队列	队列满时返回`false`
`E remove()`	移除并返回队头元素	队列为空时抛出`NoSuchElementException`
`E poll()`	移除并返回队头元素	队列为空时返回`null`
`E element()`	返回队头元素但不移除	队列为空时抛出`NoSuchElementException`
`E peek()`	返回队头元素但不移除	队列为空时返回`null`

从方法定义可以看出，Queue 接口提供了两套操作：一套在操作失败时抛出异常，另一套则返回一个特殊值（null或false）。

三、Java 队列的主要实现类

Java 集合框架提供了多种 Queue 接口的实现，适用于不同的场景：

1. LinkedList

LinkedList是最常用的队列实现之一，它同时实现了List接口和Queue接口。作为队列使用时，它提供了高效的插入和删除操作。

Queue<String> queue = new LinkedList<>();
queue.offer("元素1");
queue.offer("元素2");
queue.offer("元素3");while (!queue.isEmpty()) {System.out.println(queue.poll());
}

2. ArrayDeque

ArrayDeque是基于数组实现的双端队列，它既可以作为队列使用，也可以作为栈使用。与LinkedList相比，ArrayDeque通常具有更高的性能。

Queue<Integer> queue = new ArrayDeque<>();
queue.add(10);
queue.add(20);
queue.add(30);System.out.println("队头元素: " + queue.peek()); // 10
System.out.println("出队元素: " + queue.poll()); // 10
System.out.println("队列大小: " + queue.size()); // 2

3. PriorityQueue

PriorityQueue是一个基于优先级堆的无界优先级队列，它并不遵循 FIFO 原则，而是按照元素的优先级进行排序。默认情况下，元素按照自然顺序排列。

Queue<Integer> priorityQueue = new PriorityQueue<>();
priorityQueue.offer(30);
priorityQueue.offer(10);
priorityQueue.offer(20);// 输出结果是 10, 20, 30（按自然顺序）
while (!priorityQueue.isEmpty()) {System.out.println(priorityQueue.poll());
}

我们也可以通过传入Comparator来定义自定义的排序规则：

// 按降序排列
Queue<Integer> descendingQueue = new PriorityQueue<>(Collections.reverseOrder());
descendingQueue.offer(30);
descendingQueue.offer(10);
descendingQueue.offer(20);// 输出结果是 30, 20, 10
while (!descendingQueue.isEmpty()) {System.out.println(descendingQueue.poll());
}

4. 阻塞队列（BlockingQueue）

BlockingQueue是 Java 并发包中提供的接口，它继承自Queue接口，增加了在队列为空时等待获取元素，以及在队列满时等待插入元素的功能，非常适合在多线程环境中使用。

常用的BlockingQueue实现类包括：

ArrayBlockingQueue：基于数组的有界阻塞队列
LinkedBlockingQueue：基于链表的阻塞队列
PriorityBlockingQueue：支持优先级的无界阻塞队列
SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列
DelayQueue：支持延迟获取元素的无界阻塞队列

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;public class BlockingQueueExample {private static final int QUEUE_CAPACITY = 5;private static final int NUM_ITEMS = 10;public static void main(String[] args) {// 创建一个容量为5的有界阻塞队列BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(QUEUE_CAPACITY);// 创建生产者线程Thread producer = new Thread(() -> {try {for (int i = 1; i <= NUM_ITEMS; i++) {System.out.println("生产者生产: " + i);queue.put(i); // 如果队列满了，会阻塞等待Thread.sleep(100); // 模拟生产耗时}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}});// 创建消费者线程Thread consumer = new Thread(() -> {try {for (int i = 1; i <= NUM_ITEMS; i++) {int item = queue.take(); // 如果队列为空，会阻塞等待System.out.println("消费者消费: " + item);Thread.sleep(300); // 模拟消费耗时}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}});// 启动线程producer.start();consumer.start();}
}

上面的代码展示了如何使用ArrayBlockingQueue实现一个简单的生产者 - 消费者模型。put()方法在队列满时会阻塞，take()方法在队列空时会阻塞，这种特性使得阻塞队列非常适合协调多线程之间的数据传递。

四、队列的实际应用场景

队列在实际开发中有很多应用场景，以下是几个常见的例子：

1. 任务调度

在很多应用中，我们会将需要执行的任务放入队列中，然后由专门的线程从队列中取出任务并执行。这种方式可以实现任务的异步处理和解耦。

2. 消息队列

消息队列是分布式系统中常用的组件，它使用队列来存储消息，实现不同系统之间的异步通信。Java 中的BlockingQueue可以作为简单的消息队列使用。

3. 广度优先搜索（BFS）

在算法中，队列常用于实现广度优先搜索，这是一种按层次遍历树或图的算法。

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;// 二叉树节点
class TreeNode {int val;TreeNode left;TreeNode right;TreeNode(int val) {this.val = val;this.left = null;this.right = null;}
}public class BFSExample {// 广度优先搜索遍历二叉树public static void bfs(TreeNode root) {if (root == null) {return;}// 创建队列并将根节点入队Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();queue.offer(root);while (!queue.isEmpty()) {// 出队一个节点并访问TreeNode node = queue.poll();System.out.print(node.val + " ");// 将左子节点入队if (node.left != null) {queue.offer(node.left);}// 将右子节点入队if (node.right != null) {queue.offer(node.right);}}}public static void main(String[] args) {// 构建一个二叉树TreeNode root = new TreeNode(1);root.left = new TreeNode(2);root.right = new TreeNode(3);root.left.left = new TreeNode(4);root.left.right = new TreeNode(5);root.right.left = new TreeNode(6);root.right.right = new TreeNode(7);System.out.println("广度优先搜索结果:");bfs(root); // 输出: 1 2 3 4 5 6 7}
}

4. 缓冲

队列常被用作缓冲区，例如在 I/O 操作中，数据可以先被放入队列，然后由处理线程逐步处理，这样可以平衡数据产生和处理的速度差异。

五、队列使用注意事项

线程安全：大多数基本队列实现（如LinkedList、ArrayDeque）都不是线程安全的。在多线程环境中，应使用BlockingQueue的实现类或通过Collections.synchronizedQueue()方法获取同步队列。
容量管理：使用有界队列时要注意队列满的情况，避免因队列溢出导致的异常。
内存占用：对于可能存储大量元素的队列，要注意内存使用情况，避免内存泄漏或 OOM（Out Of Memory）错误。
选择合适的实现：根据具体需求选择合适的队列实现，例如需要优先级时选择PriorityQueue，多线程环境下选择BlockingQueue的实现等。