2021-05-12 09丨队列：队列在线程池等有限资源池中的应用

淡淡的烟草味﹌ 2023-01-20 08:14 5阅读 0赞

*  # 如何理解队列 #

队列是一种操作受限的线性表，类似于栈，队列有两个操作，一个入栈，在队列尾增加一个数据；一个出战，在队列头增加一个数据；

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*  # 顺序队列和链式队列 #

用数组实现的队列叫顺序队列，用链表实现的队列叫链式队列；

// 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 表示队列已经满了
        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;
        // 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 = items[head];
        ++head;
        return ret;
      }
    }

*  # 使用数据搬移解决数组中数据不连续 #

// 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 && head==0，表示整个队列都占满了
          if (head == 0) return false;
          // 数据搬移
          for (int i = head; i < tail; ++i) {
            items[i-head] = items[i];
          }
          // 搬移完之后重新更新 head 和 tail
          tail -= head;
          head = 0;
        }
        
        items[tail] = item;
        ++tail;
        return true;
      }

*  # **基于链表的队列实现方法** #

基于链表实现的队列，需要两个指针，head指针和tail指针，他们分别指向队列的第一个结点和队列的最后一个结点。

入队时，tail->next=newNode;tail=tail->next;

出队时，head=head->next;

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*  # 循环队列 #

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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。当队满时，**(tail+1)%n=head**。

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;
      }
    }

*  # 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。

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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，我们可以多配置几个“消费者”，来应对一个“生产者”。

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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。

*  # 队列在线程池等有限资源池中的应用 #

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？

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。**

*  # 关于如何实现无锁并发队列怎么看 #

考虑使用CAS实现无锁队列，则在入队前，获取tail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。

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