Java Queue接口源码解读和应用

LinkedList、ArrayDeque 都是Queue 接口的子类，还是有必要把Queue 这个接口的源码再过一遍，让我们站在更高层来看这几个类。

说到 Queue(队列)，我们会想到先进先出这个概念。 在 Java 中，Queue 接口是一个定义队列数据结构的接口，位于 java.util 包中。

Queue 接口扩展了 Collection 接口，表示一种 先进先出（FIFO） 的数据结构，用于按顺序存储并操作元素。

我们可以通过 Queue 实现类（如 LinkedList、PriorityQueue、ArrayDeque 等）来使用具体的队列实现。

一、Queue 接口中的方法

Queue 接口定义了几个核心方法，主要用于插入、删除和查看队列中的元素。方法可以分为两类：抛出异常 和 返回特定值 的方法。

1. 添加元素的方法

boolean add(E e)：将指定的元素插入到队列中。如果队列已满（主要在有限容量的队列实现中），则抛出 IllegalStateException 异常。该方法返回 true，表示元素成功插入。

boolean offer(E e)：将指定的元素插入到队列中。如果队列已满，则返回 false，而不是抛出异常。这个方法通常用于限制容量的队列（如阻塞队列）中。

add方法与offer方法的区别在于：add在插入失败时抛出异常，而offer则返回false。

2. 移除元素的方法

E remove()：移除并返回队列的头部元素。如果队列为空，则抛出 NoSuchElementException。

E poll()：移除并返回队列的头部元素。如果队列为空，则返回 null。

remove和poll的区别在于：remove在队列为空时抛出异常，而poll返回null。

3. 查看元素的方法

E element()：返回队列的头部元素，但不删除。如果队列为空，则抛出 NoSuchElementException。

E peek()：返回队列的头部元素，但不删除。如果队列为空，则返回 null。

element和peek的区别在于：element在队列为空时抛出异常，而peek返回null。

4、方法总结

二、示例代码

为了帮助理解这些方法，下面是一个使用 Queue 接口及其实现 LinkedList 的示例代码：

import java.util.LinkedList;

import java.util.Queue;

public class QueueExample {

public static void main(String[] args) {

Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();

// 使用 add() 方法添加元素

queue.add(10);

queue.add(20);

queue.add(30);

System.out.println("队列元素: " + queue); // 输出: [10, 20, 30]

// 使用 element() 方法获取头部元素

System.out.println("队列头部元素 (element): " + queue.element()); // 输出: 10

// 使用 remove() 方法删除头部元素

System.out.println("移除元素 (remove): " + queue.remove()); // 输出: 10

System.out.println("队列元素: " + queue); // 输出: [20, 30]

// 使用 offer() 添加元素

queue.offer(40);

System.out.println("队列元素 (offer 后): " + queue); // 输出: [20, 30, 40]

// 使用 poll() 方法删除头部元素

System.out.println("移除元素 (poll): " + queue.poll()); // 输出: 20

System.out.println("队列元素: " + queue); // 输出: [30, 40]

// 使用 peek() 方法查看头部元素

System.out.println("队列头部元素 (peek): " + queue.peek()); // 输出: 30

}

}

运行结果：

队列元素: [10, 20, 30]

队列头部元素 (element): 10

移除元素 (remove): 10

队列元素: [20, 30]

队列元素 (offer 后): [20, 30, 40]

移除元素 (poll): 20

队列元素: [30, 40]

队列头部元素 (peek): 30

三、Queue的设计思路

Queue 的设计使得用户可以轻松实现 FIFO 行为，同时根据需求选择抛出异常或返回特定值的操作。

Queue 的接口中没有提供直接的遍历方法，这是因为队列的核心功能在于元素的插入、删除和查看，而不是随机访问。对于队列的遍历，一般可以使用 迭代器。

Queue 可以用作底层数据结构，实现多种算法（如广度优先搜索）和系统功能（如任务调度）。

四、Queue的常用实现类

LinkedList：LinkedList 是 Queue 接口的实现之一，支持 null 元素，适合在需要频繁插入和删除的场景下使用。

PriorityQueue：基于优先级堆的实现，按元素的自然顺序（或通过 Comparator 指定的顺序）排序，不允许 null 元素。

ArrayDeque：基于动态数组实现的双端队列，支持队列的所有操作，且效率较高，不允许 null 元素。

五、最后总结

Queue 接口定义了 Java 中队列的基本行为，提供了对元素的插入、移除和查看的规范，用户可以基于其实现类来选择适合的队列类型。通过区分抛出异常和返回 null 的方法，Queue 提供了较高的灵活性，适合在不同场景中使用。