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1、09|队列：队列在线程池等有限资源池中的应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之美/09队列：队列在线程池等有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 09|队列：队列在线程池等有限资源池中的应用 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
2、么实现的呢？ 实际上，这些问题并不复杂，其底层的数据结构就是我们今天要学的内容，队列（queue）。 如何理解“队列”？ 队列这个概念非常好理解。你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”。 我们知道，栈只支持两个基本操作：入栈push()和出栈pop()。队列跟栈非常相似，支持的操作也很有限，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。 09|队列：队列在线程池等有限资源池中的应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之美/09队列：队列在
3、线程池等有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 09|队列：队列在线程池等有限资源池中的应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之美/09队列：队列在线程池等有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 所以，队列跟栈一样，也是一种操作受限的线性表数据结构。 队列的概念很好理解，基本操作也很容易掌握。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
4、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。 顺序队列和链式队列 我们知道了，队列跟栈一样，也是一种抽象的数据结构。它具有先进先出的特性，支持在队尾插入元素，在队头删除元素，那究竟该如何实现一个队列呢？ 跟栈一样，队列可以用数组来实现，也可以用链表来实现。用数组实现的栈叫作顺序栈，用链表实现的栈叫作链式栈。同样，用数组实现的队列叫作顺序队列， 用链表实现的队列叫作链式队列。 我们先来看下基于数组的实现方法。我用Java语言实现了一下，不过并不包含Java语言的高级语法，而且我做了比较详细的注释，你应该可以看懂。 /
5、 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 Stringcapacity; n = capacity; / 入队 public boolean enqueue(String item) / 如
6、果tail = n 表示队列已经满了 if (tail = n) return false; itemstail = item; +tail; return true; / 出队 public String dequeue() / 如果head = tail 表示队列为空 if (head = tail) return null; / 为了让其他语言的同学看的更加明确，把-操作放到单独一行来写了 String ret = itemshead; +head; return ret; 比起栈的数组实现，队列的数组实现稍微有点儿复杂，但是没关系。我稍微解释一下实现思路，你很容易就能明白了。 对于栈来
7、说，我们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。 abcdhead0tail4 09|队列：队列在线程池等有限资源池中的应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之美/09队列：队列在线程池等有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 你可以结合下面这幅图来理解。当 、 、 、 依次入队之后，队列中的指针指向下标为 的位置，指针指向下标为 的位置。 当我们调用两次出队操作之后，队列中head指针指向下标为2的位置，tail指针仍然指向下标为4的位置。 09|队列：队列在线程池等有限
8、资源池中的应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之美/09队列：队列在线程池等有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 你肯定已经发现了，随着不停地进行入队、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。这个问题该如何解决呢？ 你是否还记得，在数组那一节，我们也遇到过类似的问题，就是数组的删除操作会导致数组中的数据不连续。你还记得我们当时是怎么解决的吗？对，用数据搬 移！但是，每次进行出队操作都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
9、复杂度就会从原来的O(1)变为O(n)。能不能优化 一下呢？ 实际上，我们在出队时可以不用搬移数据。如果没有空闲空间了，我们只需要在入队时，再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，我们稍加改造一下入队函数enqueue()的实现，就可以轻松解决刚才的问题了。下面是具体的代码： / 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) / tail =n / 数据搬移 for (int i = head; i next= new_nod
10、e, tail = tail-next；出队时，head = head-next。我将具体的代码放到GitHub上，你可以自己试着实现一下，然后再去GitHub上跟我实现的代码对比下，看写得对不对。 循环队列 我们刚才用数组来实现队列的时候，在tail=n时，会有数据搬移操作，这样入队操作性能就会受到影响。那有没有办法能够避免数据搬移呢？我们来看看循环队 列的解决思路。 09|队列：队列在线程池等有限资源池中的应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之美/09队列：队列在线程池等有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 循环队列，顾名思义，它长得
11、像一个环。原本数组是有头有尾的，是一条直线。现在我们把首尾相连，扳成了一个环。我画了一张图，你可以直观地感受一下。 我们可以看到，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，我们放入下标为7的位置。但这个时候，我们并不把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，我们将b放入下标为0的位置，然后tail加1更新为1。所以，在a，b依次入队之后，循环队列中 的元素就变成了下面的样子： 09|队列：队列在线程池等有限资源池中的应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之美/09队列：队列在线程池等
12、有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 通过这样的方法，我们成功避免了数据搬移操作。看起来不难理解，但是循环队列的代码实现难度要比前面讲的非循环队列难多了。要想写出没有bug的循环队列 的实现代码，我个人觉得，最关键的是，确定好队空和队满的判定条件。 在用数组实现的非循环队列中，队满的判断条件是tail = n，队空的判断条件是head = tail。那针对循环队列，如何判断队空和队满呢？ 队列为空的判断条件仍然是head = tail。但队列满的判断条件就稍微有点复杂了。我画了一张队列满的图，你可以看一下，试着总结一下规律。 09|队列：队列在线程池等有限资源池中的
13、应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之美/09队列：队列在线程池等有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 就像我图中画的队满的情况，tail=3，head=4，n=8，所以总结一下规律就是：(3+1)%8=4。多画几张队满的图，你就会发现，当队满时，(tail+1)%n=head。 你有没有发现，当队列满时，图中的tail指向的位置实际上是没有存储数据的。所以，循环队列会浪费一个数组的存储空间。 Talk is cheap，如果还是没怎么理解，那就show you code吧。 public class CircularQueue / 数组
14、：items，数组大小：n private String items; private int n = 0; 09|队列：队列在线程池等有限资源池中的应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之美/09队列：队列在线程池等有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 / 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 Stringcap
15、acity; n = capacity; / 入队 public boolean enqueue(String item) / 队列满了 if (tail + 1) % n = head) return false; itemstail = 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 = itemshead; head = (head + 1) % n; return r
16、et; 阻塞队列和并发队列 前面讲的内容理论比较多，看起来很难跟实际的项目开发扯上关系。确实，队列这种数据结构很基础，平时的业务开发不大可能从零实现一个队列，甚至都不会 直接用到。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。 阻塞队列其实就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。 09|队列：队列在线程池等有限资源池中的应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之
17、美/09队列：队列在线程池等有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 你应该已经发现了，上述的定义就是一个“生产者-消费者模型”！是的，我们可以使用阻塞队列，轻松实现一个“生产者-消费者模型”！ 这种基于阻塞队列实现的“生产者-消费者模型”，可以有效地协调生产和消费的速度。当“生产者”生产数据的速度过快，“消费者”来不及消费时，存储数据的队列 很快就会满了。这个时候，生产者就阻塞等待，直到“消费者”消费了数据，“生产者”才会被唤醒继续“生产”。 而且不仅如此，基于阻塞队列，我们还可以通过协调“生产者”和“消费者”的个数，来提高数据的处理效率。比如前面的例子，我们可以多配
18、置几个“消费者”，来应 对一个“生产者”。 09|队列：队列在线程池等有限资源池中的应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之美/09队列：队列在线程池等有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 前面我们讲了阻塞队列，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，那如何实现一个线程安全的队列呢？ 线程安全的队列我们叫作并发队列。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
19、非常高效的并发队列。这也是循环队列比链式队列应用更加广泛的原因。在实战篇 讲Disruptor的时候，我会再详细讲并发队列的应用。 解答开篇 队列的知识就讲完了，我们现在回过来看下开篇的问题。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？各种处理策略又是如何实现的 呢？ 09|队列：队列在线程池等有限资源池中的应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之美/09队列：队列在线程池等有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 我们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
20、空闲线程时，取出排队的请求继续 处理。那如何存储排队的请求呢？ 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。我们前面说过，队列有基于链表和基于数组这两种实现方 式。这两种实现方式对于排队请求又有什么区别呢？ 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。 而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
21、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，也是非常有讲究的。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。 除了前面讲到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。 内容小结 今天我们讲了一种跟栈很相似的数据结构，队列。关于队列，你能掌握下面的内容，这节就没问题了。 队列最大的特点就是先进先出，主要的两个操作是入队和出队。跟栈一样，它既可以用数
22、组来实现，也可以用链表来实现。用数组实现的叫顺序队列，用链表实 现的叫链式队列。特别是长得像一个环的循环队列。在数组实现队列的时候，会有数据搬移操作，要想解决数据搬移的问题，我们就需要像环一样的循环队列。 循环队列是我们这节的重点。要想写出没有bug的循环队列实现代码，关键要确定好队空和队满的判定条件，具体的代码你要能写出来。 除此之外，我们还讲了几种高级的队列结构，阻塞队列、并发队列，底层都还是队列这种数据结构，只不过在之上附加了很多其他功能。阻塞队列就是入队、出 队操作可以阻塞，并发队列就是队列的操作多线程安全。 课后思考 1. 除了线程池这种池结构会用到队列排队请求，你还知道有哪些类似的
23、池结构或者场景中会用到队列的排队请求呢？ 2. 今天讲到并发队列，关于如何实现无锁并发队列，网上有非常多的讨论。对这个问题，你怎么看呢？ 欢迎留言和我分享，我会第一时间给你反馈。 我已将本节内容相关的详细代码更新到GitHub，戳此即可查看。 09|队列：队列在线程池等有限资源池中的应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之美/09队列：队列在线程池等有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 精选留言： 城 2018-10-10 00:46:32 1.分布式应用中的消息队列，也是一种队列结构 2.考虑使用CAS实现无锁队列，则在入队前，获取tai
24、l位置，入队时比较tail是否发生变化，如果否，则允许入队，反之，本次入队失败。出队则是获取head位 置，进行cas。 09|队列：队列在线程池等有限资源池中的应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之美/09队列：队列在线程池等有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 个人浅见，请批评指正 63赞 作者回复2018-10-10 01:34:47 wean 2018-10-10 11:58:30 队列也是一种“操作受限”的线性表，只支持两种基本操作：入队和出队。 队列的应用非常广泛，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
25、队列。它们在很多偏底层的系统、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。 关于如何实现无锁并发队列 可以使用 cas + 数组的方式实现。 队列的其他应用 分布式消息队列，如 kafka 也是一种队列。 12赞 作者回复2018-10-11 15:02:39 花见笑 2018-10-10 01:05:54 循环队列的长度设定需要对并发数据有一定的预测，否则会丢失太多请求。 8赞 作者回复2018-10-10 02:04
26、:31 只会安卓De小鹿 2018-10-11 13:35:38 王争老师，为了更好的区分队列和栈，小鹿给大家一个更好的口诀。 “吃多了拉就是队列，吃多了吐就是栈”。哈哈！ 158赞 作者回复2018-10-12 02:18:38 计科一班 2018-10-10 06:19:53 老师，循环队列的数组实现，在您的代码中，入队时会空留出一个位置，而且我感觉不太好理解。我定义一个记录队列大小的值size，当这个值与数组大小 相等时，表示队列已满，当tail达到最底时，size不等于数组大小时，tail就指向数组第一个位置。当出队时，size，入队时size+ 65赞 09|队列：队列在线程池等有限
27、资源池中的应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之美/09队列：队列在线程池等有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 作者回复2018-10-11 01:52:16 你这个思路挺巧妙的 我暂时还没有想到破绽 Peter丶桥 2018-10-10 04:36:48 老师要是有时间对课后问题集中式做下解答就好了 21赞 作者回复2018-10-11 01:52:33 行的 姜威 2018-10-12 00:51:09 队列实现 一、数组实现 public class ArrayQueue /存储数据的数组 private String items
28、; /记录数组容量 private int n; private int size; /head记录队头索引，tail记录队尾索引 private int head = 0; private int tail = 0; /申请一个指定容量的队列 public ArrayQueue(int capacity) items = new Stringcapacity; n = capacity; /* * 入队： * 1.堆满的时，入队失败 * 1.1频繁出入队，造成数组使用不连续 * 1.2在入队的时候，集中触发进行数据搬移 * 2.在末尾插入数据，注意tail指向队尾元素的索引+1 */ pub
29、lic boolean enqueue(String item) / 09|队列：队列在线程池等有限资源池中的应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之美/09队列：队列在线程池等有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 表示队满 if(head = 0 /表示需要数据搬移 else if(head != 0 i public void enqueue(T item); /入队 public T dequeue(); /出队 public int size(); /统计元素数量 public boolean isNull(); /是否为空 2.数
30、组实现（顺序队列）：见下一条留言 3.链表实现（链式队列）：见下一条留言 4.循环队列（基于数组）：见下一条留言 三、队列有哪些常见的应用？ 1.阻塞队列 1）在队列的基础上增加阻塞操作，就成了阻塞队列。 2）阻塞队列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，然后在返回。 3）从上面的定义可以看出这就是一个“生产者-消费者模型”。这种基于阻塞队列实现的“生产者-消费者模型”可以有效地协调生产和消费的速度。当“生产者” 生产数据的速度过快，“消费者”来不及消费
31、时，存储数据的队列很快就会满了，这时生产者就阻塞等待，直到“消费者”消费了数据，“生产者”才会被唤醒继 续生产。不仅如此，基于阻塞队列，我们还可以通过协调“生产者”和“消费者”的个数，来提高数据处理效率，比如配置几个消费者，来应对一个生产者。 2.并发队列 1）在多线程的情况下，会有多个线程同时操作队列，这时就会存在线程安全问题。能够有效解决线程安全问题的队列就称为并发队列。 2）并发队列简单的实现就是在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取操作。 3）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队列。这也
32、是循环队列比链式队列应用更加广泛的原因。 3.线程池资源枯竭是的处理 在资源有限的场景，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。 四、思考 1.除了线程池这种池结构会用到队列排队请求，还有哪些类似线程池结构或者场景中会用到队列的排队请求呢？ 2.今天讲到并发队列，关于如何实现无锁的并发队列，网上有很多讨论。对这个问题，你怎么看？ 16赞 作者回复2018-10-12 02:09:23 09|队列：队列在线程池等有限资源池中的应用 file:/F/temp/geektime/数据结构与算法之美/09队列：队列在线程池等有限资源池中的应用.html2019/1/15 15:35:21 蝴蝶 2018-10-09 17:40:48 这种实现思路中，出队操作的时间复杂度仍然是 O(1)，但入队操作的时间复杂度还是 O(1) 吗想了一下，考虑到head可能等于1,2,n-1,经过计算，觉得均摊和 平均时间复杂度还是O(1),对么？ 15赞 老司机 2018-10-10 01:03:58 循环队列真的是比较牛逼的思路，尤其是linux内核源码的kfifo的实现，无论是取模运算转换成取与运算，还是考虑head，tail的溢出，牛逼 11赞