Java集合接口Queue简介

接口Queue

队列（Queue）是一种经常使用的集合。Queue实际上是实现了一个先进先出（FIFO：First In First Out）的有序表。它和List的区别在于，List可以在任意位置添加和删除元素，而Queue只有两个操作：

• 把元素添加到队列末尾；
• 从队列头部取出元素。

超市的收银台就是一个队列：

在Java的标准库中，队列接口Queue定义了以下几个方法：

• int size()：获取队列长度；
• boolean add(E)/boolean offer(E)：添加元素到队尾；
• E remove()/E poll()：获取队首元素并从队列中删除；
• E element()/E peek()：获取队首元素但并不从队列中删除。

对于具体的实现类，有的Queue有最大队列长度限制，有的Queue没有。注意到添加、删除和获取队列元素总是有两个方法，这是因为在添加或获取元素失败时，这两个方法的行为是不同的。我们用一个表格总结如下：

	throw Exception	返回false或null
添加元素到队尾	add(E e)	boolean offer(E e)
取队首元素并删除	E remove()	E poll()
取队首元素但不删除	E element()	E peek()

举个栗子，假设我们有一个队列，对它做一个添加操作，如果调用add()方法，当添加失败时（可能超过了队列的容量），它会抛出异常：

Queue<String> q = ...
try {
    q.add("Apple");
    System.out.println("添加成功");
} catch(IllegalStateException e) {
    System.out.println("添加失败");
}

如果我们调用offer()方法来添加元素，当添加失败时，它不会抛异常，而是返回false：

Queue<String> q = ...
if (q.offer("Apple")) {
    System.out.println("添加成功");
} else {
    System.out.println("添加失败");
}

当我们需要从Queue中取出队首元素时，如果当前Queue是一个空队列，调用remove()方法，它会抛出异常：

Queue<String> q = ...
try {
    String s = q.remove();
    System.out.println("获取成功");
} catch(IllegalStateException e) {
    System.out.println("获取失败");
}

如果我们调用poll()方法来取出队首元素，当获取失败时，它不会抛异常，而是返回null：

Queue<String> q = ...
String s = q.poll();
if (s != null) {
    System.out.println("获取成功");
} else {
    System.out.println("获取失败");
}

因此，两套方法可以根据需要来选择使用。

注意：不要把null添加到队列中，否则poll()方法返回null时，很难确定是取到了null元素还是队列为空。

LinkedList既实现了List接口，又实现了Queue接口，但是，在使用的时候，如果我们把它当作List，就获取List的引用，如果我们把它当作Queue，就获取Queue的引用：

// 这是一个List:
List<String> list = new LinkedList<>();
// 这是一个Queue:
Queue<String> queue = new LinkedList<>();

始终按照面向抽象编程的原则编写代码，可以大大提高代码的质量。

小结

队列Queue实现了一个先进先出（FIFO）的数据结构：

• 通过add()/offer()方法将元素添加到队尾；
• 通过remove()/poll()从队首获取元素并删除；
• 通过element()/peek()从队首获取元素但不删除。

要避免把null添加到队列。

使用PriorityQueue

我们知道，Queue是一个先进先出（FIFO）的队列。

在银行柜台办业务时，我们假设只有一个柜台在办理业务，但是办理业务的人很多，怎么办？

可以每个人先取一个号，例如：A1、A2、A3……然后，按照号码顺序依次办理，实际上这就是一个Queue。

如果这时来了一个VIP客户，他的号码是V1，虽然当前排队的是A10、A11、A12……但是柜台下一个呼叫的客户号码却是V1。

这个时候，我们发现，要实现“VIP插队”的业务，用Queue就不行了，因为Queue会严格按FIFO的原则取出队首元素。我们需要的是优先队列：PriorityQueue。

PriorityQueue和Queue的区别在于，它的出队顺序与元素的优先级有关，对PriorityQueue调用remove()或poll()方法，返回的总是优先级最高的元素。

要使用PriorityQueue，我们就必须给每个元素定义“优先级”。我们以实际代码为例，先看看PriorityQueue的行为：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<String> q = new PriorityQueue<>();
        // 添加3个元素到队列:
        q.offer("apple");
        q.offer("pear");
        q.offer("banana");
        System.out.println(q.poll()); // apple
        System.out.println(q.poll()); // banana
        System.out.println(q.poll()); // pear
        System.out.println(q.poll()); // null,因为队列为空
    }
}

我们放入的顺序是"apple"、"pear"、"banana"，但是取出的顺序却是"apple"、"banana"、"pear"，这是因为从字符串的排序看，"apple"排在最前面，"pear"排在最后面。

因此，放入PriorityQueue的元素，必须实现Comparable接口，PriorityQueue会根据元素的排序顺序决定出队的优先级。

如果我们要放入的元素并没有实现Comparable接口怎么办？PriorityQueue允许我们提供一个Comparator对象来判断两个元素的顺序。我们以银行排队业务为例，实现一个PriorityQueue：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<User> q = new PriorityQueue<>(new UserComparator());
        // 添加3个元素到队列:
        q.offer(new User("Bob", "A1"));
        q.offer(new User("Alice", "A2"));
        q.offer(new User("Boss", "V1"));
        System.out.println(q.poll()); // Boss/V1
        System.out.println(q.poll()); // Bob/A1
        System.out.println(q.poll()); // Alice/A2
        System.out.println(q.poll()); // null,因为队列为空
    }
}

class UserComparator implements Comparator<User> {
    public int compare(User u1, User u2) {
        if (u1.number.charAt(0) == u2.number.charAt(0)) {
            // 如果两人的号都是A开头或者都是V开头,比较号的大小:
            return u1.number.compareTo(u2.number);
        }
        if (u1.number.charAt(0) == 'V') {
            // u1的号码是V开头,优先级高:
            return -1;
        } else {
            return 1;
        }
    }
}

class User {
    public final String name;
    public final String number;

    public User(String name, String number) {
        this.name = name;
        this.number = number;
    }

    public String toString() {
        return name + "/" + number;
    }
}

实现PriorityQueue的关键在于提供的UserComparator对象，它负责比较两个元素的大小（较小的在前）。UserComparator总是把V开头的号码优先返回，只有在开头相同的时候，才比较号码大小。

上面的UserComparator的比较逻辑其实还是有问题的，它会把A10排在A2的前面，请尝试修复该错误。

小结

PriorityQueue实现了一个优先队列：从队首获取元素时，总是获取优先级最高的元素。

PriorityQueue默认按元素比较的顺序排序（必须实现Comparable接口），也可以通过Comparator自定义排序算法（元素就不必实现Comparable接口）。

使用Deque

我们知道，Queue是队列，只能一头进，另一头出。

如果把条件放松一下，允许两头都进，两头都出，这种队列叫双端队列（Double Ended Queue），学名Deque。

Java集合提供了接口Deque来实现一个双端队列，它的功能是：

• 既可以添加到队尾，也可以添加到队首；
• 既可以从队首获取，又可以从队尾获取。

我们来比较一下Queue和Deque出队和入队的方法：

	Queue	Deque
添加元素到队尾	add(E e) / offer(E e)	addLast(E e) / offerLast(E e)
取队首元素并删除	E remove() / E poll()	E removeFirst() / E pollFirst()
取队首元素但不删除	E element() / E peek()	E getFirst() / E peekFirst()
添加元素到队首	无	addFirst(E e) / offerFirst(E e)
取队尾元素并删除	无	E removeLast() / E pollLast()
取队尾元素但不删除	无	E getLast() / E peekLast()

对于添加元素到队尾的操作，Queue提供了add()/offer()方法，而Deque提供了addLast()/offerLast()方法。添加元素到对首、取队尾元素的操作在Queue中不存在，在Deque中由addFirst()/removeLast()等方法提供。

注意到Deque接口实际上扩展自Queue：

public interface Deque<E> extends Queue<E> {
    ...
}

因此，Queue提供的add()/offer()方法在Deque中也可以使用，但是，使用Deque，最好不要调用offer()，而是调用offerLast()：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Deque<String> deque = new LinkedList<>();
        deque.offerLast("A"); // A
        deque.offerLast("B"); // B -> A
        deque.offerFirst("C"); // B -> A -> C
        System.out.println(deque.pollFirst()); // C, 剩下B -> A
        System.out.println(deque.pollLast()); // B
        System.out.println(deque.pollFirst()); // A
        System.out.println(deque.pollFirst()); // null
    }
}

如果直接写deque.offer()，我们就需要思考，offer()实际上是offerLast()，我们明确地写上offerLast()，不需要思考就能一眼看出这是添加到队尾。

因此，使用Deque，推荐总是明确调用offerLast()/offerFirst()或者pollFirst()/pollLast()方法。

Deque是一个接口，它的实现类有ArrayDeque和LinkedList。

我们发现LinkedList真是一个全能选手，它即是List，又是Queue，还是Deque。但是我们在使用的时候，总是用特定的接口来引用它，这是因为持有接口说明代码的抽象层次更高，而且接口本身定义的方法代表了特定的用途。

// 不推荐的写法:
LinkedList<String> d1 = new LinkedList<>();
d1.offerLast("z");
// 推荐的写法：
Deque<String> d2 = new LinkedList<>();
d2.offerLast("z");

可见面向抽象编程的一个原则就是：尽量持有接口，而不是具体的实现类。参考依赖倒转原则.

小结

Deque实现了一个双端队列（Double Ended Queue），它可以：

• 将元素添加到队尾或队首：addLast()/offerLast()/addFirst()/offerFirst()；
• 从队首／队尾获取元素并删除：removeFirst()/pollFirst()/removeLast()/pollLast()；
• 从队首／队尾获取元素但不删除：getFirst()/peekFirst()/getLast()/peekLast()；
• 总是调用xxxFirst()/xxxLast()以便与Queue的方法区分开；
• 避免把null添加到队列。

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