我们知道，CPU资源是有限的，任务的处理速度与线程个数并不是线性正相关。相反，过多的线程反而会导致CPU频繁切换，处理性能下降。所以，线程池的大小一般都是综合考虑要处理任务的特点和硬件环境，来事先设置的。

当我们向固定大小的线程池中请求一个线程时，如果线程池中没有空闲资源了，这个时候线程池如何处理这个请求？是拒绝请求还是排队请求？各种处理策略又是怎么实现的呢？

1.如何理解“队列”

队列这个概念可以把它想象成排队买票，先来的先买，后来的人只能站末尾，不允许插队。先进者先出，这就是典型的“队列”。
队列跟栈相似，支持的操作也有限，最基本的操作也是两个：入队enqueue()，放一个数据到队列尾部；出队dequeue()，从队列头部取一个元素。

队列和栈一样，也是一种操作受限的线性表数据结构。
作为一种非常基础的数据结构，队列的应用也非常广泛，特别是一些具有某些额外特性的队列，比如循环队列、阻塞队列、并发队列。它们在很多偏底层系统、框架、中间件的开发中，起着关键性的作用。比如高性能队列Disruptor、Linux环形缓存，都用到了循环并发队列；java concurrent并发包利用ArrayBlockingQueue来实现公平锁等。

2.顺序队列和链式队列

用数组实现的队列叫做顺序队列，用链表实现的队列叫做链式队列。

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//用数组实现的队列
public class ArrayQueue
{
	//数组:items 数组大小:n
	private String[] items;
	private int n=0;
	//head表示队头下标 tail表示队尾下标
	private int head=0;
	private int tail=0;

	//申请一个大小为capacity的数组
	public ArrayQueue(int capacity)
	{
		items = new String[capacity];
		n = capacity;
	}

	//入队
	public boolean enqueue(String item)
	{
		//如果tail==n 表示队列已满
		if(tail == n) return false;
		items[tail] = item;
		tail++;
		return true;
	}

	//出队
	public String dequeue()
	{
		//如果head==tail 表示队列为空
		if(head == tail) return null;
		String ret = item[head];
		head++;
		return ret;
	}
}

对于栈来说，只需要一个栈顶指针就可以了。但是队列需要两个指针：一个是head指针，指向队头；一个是tail指针，指向队尾。


随着不停的入队、出队操作，head和tail都会持续往后移动。当tail移动到最右边，即使数组中还有空闲空间，也无法继续往队列中添加数据了。这个问题如何解决？
在数组中，数组的删除操作会导致数组中的数据不连续，解决方法是用数据搬移。但是，每次进行出队操作删除队列头的元素(相当于删除数组下标为0的数据)，要搬移整个队列中的数据，这样出队操作的时间复杂度就会从原来的O(1)变为O(n)。如何优化呢？
实际上，在出队时可以不用搬移数据。如果没有空闲空间了，只需要在入队时，集中触发一次数据的搬移操作。借助这个思想，出队函数dequeue()保持不变，改动一下入队函数enqueue():

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//入队操作，将item放入队尾
public boolean enqueue(String item)
{
	//tail==n表示队列末尾没有空间了
	if(tail == n)
	{
		//如果tail==n并且head==0表示整个队列都占满了，无法在添加元素
		if(head == 0) return false;
		//数据搬移
		for(int i=head;i<tail;i++)
		{
			item[i-head] = items[i];
		}
		//搬移完之后更新head和tail
		tail -= head;
		head = 0;
	}
	items[tail] = item;
	tail++;
	return true;
}

基于链表的实现，同样需要两个指针：head指针和tail指针。它们分别指向链表的第一个结点和最后一个结点。入队时，tail->next=new_node,tail=tail->next;出队时，head=head->next。

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//基于链表的实现
public class QueueBasedOnLinkedList {
	private static class Node {
    private String data;
    private Node next;

    public Node(String data, Node next) {
      this.data = data;
      this.next = next;
    }

    public String getData() {
      return data;
    }
  }


  private Node head = null;
  private Node tail = null;

  public void enqueue(String value) {
    if (tail == null) {
      Node newNode = new Node(value, null);
      head = newNode;
      tail = newNode;
    } else {
      tail.next = new Node(value, null);
      tail = tail.next;
    }
  }

  public String dequeue() {
    if (head == null) return null;

    String value = head.data;
    head = head.next;
    if (head == null) {
      tail = null;
    }
    return value;
  }

  public void printAll() {
    Node p = head;
    while (p != null) {
      System.out.print(p.data + " ");
      p = p.next;
    }
    System.out.println();
  }

}

3.循环队列


循环队列，顾名思义，它长得像一个环。原本队列是有首有尾的，是一条直线，现在把它首尾相连，扳成了一个环。


图中这个队列的大小为8，当前head=4，tail=7.当有一个新的元素a入队时，放入下标为7的位置。但这个时候，并不把tail更新为8，而是将其在环中后移一位，到下标为0的位置。当再有一个元素b入队时，将b放入下标为0的位置，然后tail+1更新为1。所以，a、b依次入队之后：

循环队列的代码实现难度要比非循环队列难一些，关键在于，确定好队空和队满的判定条件。
用数组实现的非循环队列中，队满的判定条件是tail==n，队空的判定条件是head==tail。
循环队列为空的判断条件仍然是head==tail。队满的判断条件稍有不同：

当队满时，(tail+1)%n=head。

当队列满时，图中tail指向的位置实际上是没有存储数据的，这种方法是少用一个元素空间，约定以“队列头指针在队列尾指针的下一位置上”作为队列“满”的标志。
另一种方法是另设一个标志位以区别队列是“空”还是“满”。另外占用一个内存空间。

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public class CircularQueue {
  // 数组：items，数组大小：n
  private String[] items;
  private int n = 0;
  // head 表示队头下标，tail 表示队尾下标
  private int head = 0;
  private int tail = 0;

  // 申请一个大小为 capacity 的数组
  public CircularQueue(int capacity) {
    items = new String[capacity];
    n = capacity;
  }

  // 入队
  public boolean enqueue(String item) {
    // 队列满了
    if ((tail + 1) % n == head) return false;
    items[tail] = item;
    tail = (tail + 1) % n;
    return true;
  }

  // 出队
  public String dequeue() {
    // 如果 head == tail 表示队列为空
    if (head == tail) return null;
    String ret = items[head];
    head = (head + 1) % n;
    return ret;
  }
}

4.阻塞队列和并发队列

队列这种数据结构很基础，平时的业务开发不大可能从0实现一个队列，甚至不会用到。而一些具有特殊特性的队列应用却比较广泛，比如阻塞队列和并发队列。
阻塞队列是在队列基础上增加了阻塞操作。简单来说，就是在队列为空的时候，从队头取数据会被阻塞，因为此时还没有数据可取，直到队列中有了数据才能返回；如果队列已经满了，那么插入数据的操作就会被阻塞，直到队列中有空闲位置后再插入数据，然后再返回。

上述的定义就是一个“生产者—消费者模型”。使用阻塞队列可以轻松实现一个“生产者—消费者模型”。

那，在多线程情况下，会有多个线程同时操作队列，这个时候就会存在线程安全问题，如何实现一个线程安全的队列呢？
线程安全的队列叫做并发队列。最简单直接的实现方式是直接在enqueue()、dequeue()方法上加锁，但是锁粒度大并发度会比较低，同一时刻仅允许一个存或者取操作。实际上，基于数组的循环队列，利用CAS原子操作，可以实现非常高效的并发操作，这也是循环队列比链式队列应用更加广泛的原因，

5.线程池没有空闲线程时，新的任务请求线程资源时，线程池该如何处理？各种处理策略是如何实现的？

一般有两种处理策略。第一种是非阻塞的处理方式，直接拒绝任务请求；另一种是阻塞的处理方式，将请求排队，等到有空闲线程时，取出排队的请求继续处理。
对于如何存储排队的请求，我们希望公平地处理每个排队的请求，先进者先服务，所以队列这种数据结构很适合来存储排队请求。基于链表和基于数组实现的队列对于排队请求有何区别？
基于链表的实现方式，可以实现一个支持无限排队的无界队列(unbounded queue)，但是可能会导致过多的请求排队等待，请求处理的响应时间过长。所以，针对响应时间比较敏感的系统，基于链表实现的无限排队的线程池是不合适的。
基于数组实现的有界队列(bounded queue)，队列的大小有限，所以线程池中排队的请求超过队列大小时，接下来的请求就会被拒绝，这种方式对响应时间敏感的系统来说，就相对更加合理。不过，设置一个合理的队列大小，是很有讲究的。队列太大导致等待的请求太多，队列太小会导致无法充分利用系统资源、发挥最大性能。
除了队列应用在线程池请求排队的场景之外，队列可以应用在任何有限资源池中，用于排队请求，比如数据库连接池等。实际上，对于大部分资源有限的场景，当没有空闲资源时，基本上都可以通过“队列”这种数据结构来实现请求排队。

思考:

(1)除了线程池这种池结构会用到队列排队请求，还有哪些类似的池结构或者场景中会用到队列的排队请求？

(2)如何实现无锁并发队列？