243. Java 集合 - 队列和堆栈建模243. Java 集合 - 队列和堆栈建模 Java Collection

243. Java 集合 - 队列和堆栈建模

Java Collections Framework 提供了两个接口来建模队列（Queue）和堆栈（Stack）：

Queue 接口：用于建模队列（FIFO，先进先出）。
Deque 接口：用于建模双端队列（Double-Ended Queue）。你可以在队列的两端执行 push、pop、poll 和 peek 操作，因此它既可以作为队列也可以作为堆栈来使用。

🛠️ `Deque` 接口：队列与堆栈的结合

队列（Queue）只允许从队尾插入元素，且从队头移除元素，遵循 FIFO（先进先出） 原则。
双端队列（Deque）则允许你从队列的两端插入和删除元素，因此可以兼具队列和堆栈的功能。Deque 接口非常灵活，支持同时作为堆栈（LIFO）和队列（FIFO）使用。

`Deque` 示例：

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.Deque;

public class DequeExample {
    public static void main(String[] args) {
        Deque<String> deque = new ArrayDeque<>();
        
        // 从尾部插入元素（作为队列）
        deque.offer("A");
        deque.offer("B");
        deque.offer("C");
        System.out.println("Deque after offer: " + deque);

        // 从头部插入元素（作为堆栈）
        deque.push("D");
        System.out.println("Deque after push: " + deque);

        // 从头部弹出元素（作为堆栈）
        System.out.println("Pop element from deque: " + deque.pop());

        // 从队头移除元素（作为队列）
        System.out.println("Poll element from deque: " + deque.poll());
        System.out.println("Deque after poll: " + deque);
    }
}

输出：

Deque after offer: [A, B, C]
Deque after push: [D, A, B, C]
Pop element from deque: D
Poll element from deque: A
Deque after poll: [B, C]

在这个例子中，offer() 方法模拟了队列的行为，push() 和 pop() 则模拟了堆栈的行为。

🔄 队列和堆栈的并发应用

在并发编程中，队列和堆栈经常用于任务调度、消息传递、资源共享等场景。Java 提供了 BlockingQueue、BlockingDeque 和 TransferQueue 接口，这些接口扩展了 Queue 和 Deque 接口，增加了在并发环境中的操作方法。

BlockingQueue：一个阻塞队列，能够在没有元素时阻塞消费者线程，或在队列满时阻塞生产者线程。
BlockingDeque：扩展了 BlockingQueue，允许在队列两端进行阻塞操作。
TransferQueue：一个可以转移元素的队列，允许生产者和消费者之间交换元素。

这些接口为高效的并发编程提供了强大的支持，尤其是在多线程环境下。

⚠️ 队列操作中的边界情况

队列和堆栈在使用时可能会遇到以下两种常见的边界情况：

队列已满，无法插入更多元素：
- 如果队列已满，你可能会遇到无法插入新元素的情况。比如，使用容量有限的队列时，offer() 方法可能会返回 false，表示队列无法接受新元素。
队列为空，无法移除元素：
- 如果队列为空，调用 pop()、poll() 或 peek() 等方法时，可能会遇到返回空值或抛出异常的情况。
- poll() 方法返回 null，表示队列为空；
- pop() 方法会抛出 NoSuchElementException。

示例：队列满时的行为

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

public class QueueOverflowExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建容量为2的有界队列
        Queue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(2);

        queue.offer("A");
        queue.offer("B");
        System.out.println("Queue after two offers: " + queue);

        // 尝试添加第三个元素，会返回false
        if (!queue.offer("C")) {
            System.out.println("Queue is full, unable to add element 'C'.");
        }
    }
}

输出：

Queue after two offers: [A, B]
Queue is full, unable to add element 'C'.

在这个例子中，offer() 方法尝试在队列满时插入元素，结果返回 false，说明无法添加新元素。

🧠 思考：如何处理队列空或满的情况？

不同的队列实现可以有不同的策略来应对队列满或队列空的情况。对于某些队列实现，可以采用阻塞策略（如 BlockingQueue），让线程在无法执行操作时自动等待。而对于不支持阻塞操作的队列，可能会直接返回一个指示操作失败的值（如 null 或 false），或者抛出异常。

🚀 总结

Queue 接口 主要用于建模先进先出（FIFO）行为的队列。
Deque 接口 是双端队列，允许在队列的两端执行插入和删除操作，既可以作为队列使用，也可以作为堆栈使用。
队列和堆栈在并发编程中具有重要应用，Java 提供了扩展接口如 BlockingQueue 和 BlockingDeque 来处理更复杂的并发问题。
在实际开发中，我们需要了解如何处理队列为空或满的边界情况，以保证程序的稳定性和性能。

🧐 互动问题

问题：如果你想在多线程环境下安全地操作队列，并且希望当队列为空时阻塞消费者线程，应该使用哪个接口？答案：你应该使用 BlockingQueue 接口，它支持在队列为空时阻塞消费者线程，直到有元素可供消费。

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