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07 队列:队列在线程池等有限资源池中的应用

开发技术 开发技术 3小时前 2次浏览

一、什么是队列?

07 队列:队列在线程池等有限资源池中的应用

1.先进者先出,这就是典型的“队列”结构。

2.支持两个操作:入队enqueue(),放一个数据到队尾;出队dequeue(),从队头取一个元素。

3.所以,和栈一样,队列也是一种操作受限的线性表。

二、如何实现队列?

1.队列API

public interface Queue<T> {
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.数组实现(顺序队列)

public class ArrayQueue {
//存储数据的数组
private String[] items;
//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 String[capacity];
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
*/
public boolean enqueue(String item){
//表示队满
if(head == 0 && tail == n)
return false;
//表示需要数据搬移
else if(head != 0 && tail == n){
for (int i = head; i < tail; i++) {
items[i-head] = items[i];
}
head = 0;
tail = tail - head;
}
//将数据加入队列
items[tail++] = item;
size++;
return true;
}
//出队:1.队空时,出队失败;2.出队,head索引+1
public String dequeue(){
String res = null;
if(head == tail) return res;
res = items[head++];
size--;
return res;
}
}

3.链表实现(链式队列)

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public class LinkedQueue {
//定义一个节点类
private class Node{
String value;
Node next;
}
//记录队列元素个数
private int size = 0;
//head指向队头结点,tail指向队尾节点
private Node head;
private Node tail;
//申请一个队列
public LinkedQueue(){}
//入队
public boolean enqueue(String item){
Node newNode = new Node();
newNode.value = item;
if (size == 0) head = newNode;
else tail.next = newNode;
tail = newNode;
size++;
return true;
}
//出队
public String dequeue(){
String res = null;
if(size == 0) return res;
if(size == 1) tail = null;
res = head.value;
head = head.next;
size--;
return res;
}
}

4.循环实现(循环队列)

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public class LoopArrayQueue {
//存储数据的数组
private String[] items;
//记录数组容量
private int n;
private int size = 0;
//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 LoopArrayQueue(int capacity){
items = new String[capacity];
n = capacity;
}
//入队:关键在于队满的条件
public boolean enqueue(String item){
if ((tail + 1) % n == head) return false;
items[tail] = item;
tail = (tail + 1) % n;
size++;
return true;
}
//出队:关键在于队空的条件
public String dequeue(){
String res = null;
if(head == tail) return res;
res = items[head];
head = (head + 1) % n;
size--;
return res;
}
}

三、队列有哪些常见的应用?

1.阻塞队列

07 队列:队列在线程池等有限资源池中的应用

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,然后再返回。

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。

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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?

分布式应用中的消息队列,也是一种队列结构

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?

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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