Java中的集合（三）繼承Collection的Queue接口
一、Queue介紹
Queue接口繼承自Collection接口，是Java中定義的一種隊列數據結構，元素是有序的（按插入順序排序），先進先出（FIFO）原則。不支持隨機訪問數據，新元素插入（offer）到隊列的尾部，訪問元素（poll）操作會返回隊列頭部的元素。通常，隊列不允許隨機訪問隊列中的元素。
隊列：是計算機中的一種數據結構，保存在其中的數據具有“先進先出（FIFO,First In First Out）”的特性，新元素插入（offer）到隊列的尾部，訪問元素（poll）操作會返回隊列頭部的元素。通常，隊列不允許隨機訪問隊列中的元素。
在Java中，隊列分為2種形式，一種是單隊列，一種是循環隊列；
通常，都是使用數組來實現隊列，假定數組的長度為5，也就是隊列的長度為5；
（一）、單隊列：
1、創建一個長度為5的空數組，定義兩個屬性front、rear，分別代表着頭指針和尾指針。
2、向數組中插入數據
3、移除頭部元素：元素1、元素2
4、再向數組中插入數據，此時rear指向一個不存在的下標
此時，數組就會出現“假溢出”的現象，尾指針指向了一個不存在的下標，如果要解決這種情況，一般有兩種方法：
1、無限擴充數組容量；
2、使用循環隊列。
（二）、循環隊列
當尾指針指向了一個不存在的下標時，即超過數組大小時，此時我們判斷數組頭部是否有空余的空間，如果有就把尾指針指向頭部空余的空間，如下圖：
循環隊列就是將單隊列的頭尾相連，形成一個圓形，這樣就不會出現下標溢出的現象（distruptor實現）。
二、Queue類圖
1、Queue接口繼承自Collection接口；
2、Queue接口分別有Deque子接口和AbstractQueue抽象類；
3、Deque子接口分別有LinkedList類和ArrayDeque類；
4、AbstractQueue抽象類有PriorityQueue實現類
三、Deque（Double-ended queue）接口
Deque接口是Queue接口的子接口，創建了雙端隊列結構，靈活性更強，可以前向或后向迭代，在隊頭隊尾均可插入或刪除元素的線性集合。它的兩個主要實現類是ArrayDeque和LinkedList。
Deque接口支持容量固定的雙端隊列，也支持容量不固定的雙端隊列，一般情況下，雙端隊列的容量是不固定的。
（一）、特點
1、插入、刪除、獲取操作支持兩種形式：快速失敗和返回null或true/false；
2、既具有FIFO（First in, First out，先進先出）特性，又具有LIFO（Last in, First out，后進先出）特性；
3、不推薦插入null，因為null作為返回值表示隊列為空；
4、未定義基於元素的equals和hashCode；
5、不支持索引訪問元素；
6、Deque不僅是雙端隊列，還可以當做棧來使用，因為該類定義了pop（出站）,push（入棧）等方法。
（二）、Deque接口與Queue接口、Stack的關系
從上面描述可以知道，Deque不僅可以當做雙端隊列使用，還可以當做棧來使用。
1、Deque當做雙端隊列使用時，Deque接口與Queue接口的關系
當 Deque 當做 Queue隊列使用時（FIFO），添加元素是添加到隊尾，刪除時刪除的是頭部元素。從 Queue 接口繼承的方法對應Deque 的方法如圖所示：
2、Deque當做棧使用時，Deque接口與Stack的關系
當Deque 當做Stack棧用（LIFO）。這時入棧、出棧元素都是在 雙端隊列的頭部 進行。Deque 中和Stack對應的方法如圖所示：
注意：由於Stack比較古老，功能實現非常不友好，現在已經基本不適用程序開發，因此可以選擇Deque接口代替Stack進行棧操作。
四、ArrayDeque實現類
Deque接口下分別有兩個實現類，分別為ArrayDeque和LinkedList，LinkedList在本節暫不講述，這節主要講述ArrayDeque。
（一）、ArrayDeque：基於循環數組實現的線性雙端隊列，大小可變，不允許null。
1、底層是通過數組實現的，數組大小默認是16，可以指定長度，也可不指定，根據添加元素的個數，動態擴容數組容量。可以為了滿足可以同時插入和刪除元素，需要該數組必須是循環數組，也就是數組中的每一個點都可以看成是起點或者終點。
2、ArrayDeque是線程不安全的，在多線程環境下，需要手動同步；另外，ArrayDeque不允許插入null元素。
3、由於ArrayDeque是基於頭尾指針來實現Deque的，所以不能直接訪問第一個和最后一個元素，如果想要遍歷元素，需要使用Iterator迭代器，可以使用正反迭代遍歷元素。
4、ArrayDeque一般優於鏈表隊列/雙端隊列，有限數量的垃圾產生（舊數組將被丟棄在擴展），建議使用deque，ArrayDeque優先。
（二）、ArrayDeque操作簡圖
假定數組的長度為6，也就是ArrayDeque隊列的長度為6；
從上面圖中可以看出：front總是指向數組中的第一個有效元素的位置，rear終是指向第一個可以可以插入元素的空間位置，所以front並一定等於0，且不總會比rear大，rear也不總是比front小。
（三）、ArrayDeque中，循環數組的實現
ArrayDeque維護了兩個屬性，分別指向頭指針和尾指針：
transient int head; // 指向頭指針
transient int tail; // 指向尾指針
假定數組的長度為10，也就是ArrayDeque隊列的長度為10；
1、ArrayDeque剛創建時；
2、當向尾部插入時，直接在tail下標的位置插入元素，所以tail下標 + 1，head小標不變；
3、當從頭部插入時，head下標 - 1，然后插入元素，tail下標為當前數組末尾元素的下標不變；
通過上面的步驟可以知道，將ArrayDeque看出成是一個首尾相接的圓形數組更好理解循環數組的含義。
通過addFrist（E e）代碼，看看ArrayQueue是如何實現的：
1 public void addFirst(E e) { 2 if (e == null) 3 throw new NullPointerException(); 4 5 elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e; 6 if (head == tail) 7 doubleCapacity(); 8 }
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- 當加入元素時，先看是否為空（ArrayDeque不可以存取null元素，因為系統根據某個位置是否為null來判斷元素的存在）。然后head-1，插入元素。
- head = (head - 1) & (elements.length - 1)很好的解決了下標越界的問題。這段代碼相當於取模，同時解決了head為負值的情況。因為elements.length必需是2的指數倍（代碼中有具體操作），elements - 1就是二進制低位全1，跟head - 1相與之后就起到了取模的作用。如果head - 1為負數，其實只可能是-1，當為-1時，和elements.length - 1進行與操作，這時結果為elements.length - 1。其他情況則不變，等於它本身。
- 當插入元素后，在進行判斷是否還有余量。因為tail總是指向下一個可插入的空位，也就意味着elements數組至少有一個空位，所以插入元素的時候不用考慮空間問題。
（四）、擴容函數doubleCapacity()
擴容函數doubleCapacity()的邏輯是：申請一個更大容量的數組，將原數組原樣復制到新數組中。
從上圖可以看出，復制分為兩次進行：先復制head右邊的元素，然后再復制head左邊的元素。
1 private void doubleCapacity() { 2 assert head == tail; 3 int p = head; 4 int n = elements.length; 5 int r = n - p; // head右邊元素的個數 6 int newCapacity = n << 1;//原空間的2倍 7 if (newCapacity < 0) 8 throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big"); 9 Object[] a = new Object[newCapacity]; 10 System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);//復制右半部分，對應上圖中綠色部分 11 System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);//復制左半部分，對應上圖中灰色部分 12 elements = (E[])a; 13 head = 0; 14 tail = n; 15 }
（五）、小結
通過上面描述，我們便理解了ArrayDeque循環數組添加以及擴容的過程，另外需要注意的是：ArrayDeque不是線程安全的。 當作為棧使用時，性能比Stack好；當作為隊列使用時，性能比LinkedList好。
五、PriorityQueue實現類
（一）、PriorityQueue：底層基於數組實現的堆結構的優先隊列。
PriorityQueue是AbstractQueue的子類，AbstractQueue又實現了Queue接口，所以PriorityQueue具有Queue接口的優先隊列。
優先隊列與普通隊列不同，普通隊列遵循“FIFO”的特性，獲取元素時根據元素的插入順序獲取，優先隊列獲取元素時根據元素的優先級，獲取優先級最高的數據。
（二）、PriorityQueue的排序方式
PriorityQueue保存隊列元素時不是按照插入隊列順序進行排序，而是按照插入元素的大小進行排序的。因此當調用peek()、pop()方法時，不是取出最先插入的元素，而是取出隊列當中最小元素。
1、排序的方式
PriorityQueue隊列當中的元素是可以默認自然排序（數值型元素默認是最小的在隊列頭部，字符串則按字典序排序），或者通過Comparator（比較器）在隊列實例化指定排序方式。
注意：當PriorityQueue中沒有指定Comparator時，加入PriorityQueue的元素必須實現了Comparable接口（即元素是可比較的），否則會導致 ClassCastException。
（三）、PriorityQueue的本質
PriorityQueue本質是一個動態數組，默認實現由三種構造方法：
- public PriorityQueue() 調用無參構造方法時，使用默認的初始容量（
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY=11）來創建PriorityQueue，並根據其自然順序排序其中的元素（排序方式使用的是元素中實現的Comparable接口）； - public PriorityQueue(int initialCapacity) 調用指定容量構造方法時，使用initialCapacity定義初始容量創建PriorityQueue，並根據其自然順序排序其中的元素（排序方式使用的是元素中實現的Comparable接口）；
- PriorityQueue(int initialCapacity,Comparator<? super E> comparator) 當使用指定的初始容量創建一個 PriorityQueue，並根據指定的比較器comparator來排序其元素。
從上面的三個構造函數可以得出：PriorityQueue內部維護了一個動態數組，
除此之外，還要注意：
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- PriorityQueue不是線程安全的。如果多個線程中的任意線程從結構上修改了列表， 則這些線程不應同時訪問 PriorityQueue 實例，這時請使用線程安全的PriorityBlockingQueue 類。
- 不允許插入 null 元素。
- PriorityQueue實現插入方法（offer、poll、remove() 和 add 方法） 的時間復雜度是O(log(n)) ；實現 remove(Object) 和 contains(Object) 方法的時間復雜度是O(n) ；實現檢索方法（peek、element 和 size）的時間復雜度是O(1)。所以在遍歷時，若不需要刪除元素，則以peek的方式遍歷每個元素。
- 方法iterator()中提供的迭代器並不保證以有序的方式遍歷優PriorityQueue中的元素。
（四）、自然排序和Comparator比較器
1、Java中的兩種比較器：Conparator和Comparable
Comparable和Comparator接口都是為了對類進行比較，眾所周知，諸如int，double等基本數據類型，Java可以對他們進行比較，而對於對象即類的比較，需要人工定義比較用到的字段比較邏輯。可以把Comparable理解為內部比較器，而Comparator是外部比較器：
（1）、Comparable接口：內部比較器，實現了Comparable接口的類需要實現compareTo(T o)方法，傳入一個外部參數進行比對；
當一個對象調用該compareTo(T o)方法與另一個對象比較時，例如o1.compareTo(o2)
- 如果該方法返回0，則表明兩個對象相等；
- 如果該方法返回一個整數，則表明o1大於o2；
- 如果該方法返回一個負整數，則表明o1小於o2。
（2）、Conparator接口：外部比較器，實現了Comparator接口的方法需要實現compare(T o1，T o2)方法，對外部傳入的兩個類進行比較，從而讓外部方法在比較時調用；
該compare(T o1，T o2)方法用於比較o1,o2的大小：
- 如果該方法返回正整數，則表明o1大於o2；
- 如果該方法返回0，則表明o1等於o2;
- 如果該方法返回負整數，則表明o1小於o2。
2、自然排序
自然排序是調用元素所屬類的compareTo(T o)方法來比較元素之間的大小關系，然后將集合元素按升序排列，即把通過compareTo(T o)方法比較后比較大的的往后排。這種方式就是自然排序。