07 | 队列：队列在线程池等有限资源池中的应用

咱们知道，CPU 资源是有限的，任务的处理速度与线程个数并非线性正相关。相反，过多的线程反而会致使 CPU 频繁切换，处理性能降低。因此，线程池的大小通常都是综合考虑要处理任务的特色和硬件环境，来事先设置的。

 

当咱们向固定大小的线程池中请求一个线程时，若是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？是拒绝请求仍是排队请求？各类处理策略又是怎么实现的呢？

 

实际上，这些问题并不复杂，其底层的数据结构就是咱们今天要学的内容，队列（queue）。

 

如何理解“队列”？

 

队列这个概念很是好理解。你能够把它想象成排队买票，先来的先买，后来的人只能站末尾，不容许插队。先进者先出，这就是典型的“队列”。

 

咱们知道，栈只支持两个基本操做：入栈 push()和出栈 pop()。队列跟栈很是类似，支持的操做也颇有限，最基本的操做也是两个：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。

 

 

因此，队列跟栈同样，也是一种操做受限的线性表数据结构。

 

队列的概念很好理解，基本操做也很容易掌握。做为一种很是基础的数据结构，队列的应用也很是普遍，特别是一些具备某些额外特性的队列，好比循环队列、阻塞队列、并发队列。它们在不少偏底层系统、框架、中间件的开发中，起着关键性的做用。好比高性能队列+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。

 

顺序队列和链式队列

 

咱们知道了，队列跟栈同样，也是一种抽象的数据结构。它具备先进先出的特性，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？

 

跟栈同样，队列能够用数组来实现，也能够用链表来实现。用数组实现的栈叫做顺序栈，用链表实现的栈叫做链式栈。一样，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。+咱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，并且我作了比较详细的注释，你应该能够看懂。

 

 

// 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) {
    // 若是 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() {
    // 若是 head == tail 表示队列为空
    if (head == tail) return null;
    // 为了让其余语言的同窗看的更加明确，把 -- 操做放到单独一行来写了
    String ret = items[head];
    ++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，可是不要紧。我稍微解释一下实现思路，你很容易就能明白了。

 

对于栈来讲，咱们只须要一个栈顶指针就能够了。可是队列须要两个指针：一个是 head 指针，指向队头；一个是 tail 指针，指向队尾。

 

你能够结合下面这幅图来理解。当 a、b、c、d+依次入队以后，队列中的 head 指针指向下标为 0 的位置，tail 指针指向下标为 4 的位置。

 

 

当咱们调用两次出队操做以后，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。

 

 

 

你确定已经发现了，随着不停地进行入队、出队操做，head 和 tail 都会持续日后移动。当 tail 移动到最右边，即便数组中还有空闲空间，也没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，咱们也遇到过相似的问题，就是数组的删除操做会致使数组中的数据不连续。你还记得咱们当时是怎么解决的吗？对，用数据搬移！可是，每次进行出队操做都至关于删除数组下标为 0 的数据，要搬移整个队列中的数据，这样出队操做的时间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，咱们在出队时能够不用搬移数据。若是没有空闲空间了，咱们只须要在入队时，再集中触发一次数据的搬移操做。借助这个思想，出队函数 dequeue() 保持不变，咱们稍加改造一下入队函数 enqueue() 的实现，就能够轻松解决刚才的问题了。下面是具体的代码：

 

   // 入队操做，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];
      }
      // 搬移完以后从新更新 head 和 tail
      tail -= head;
      head = 0;
    }
    
    items[tail] = item;
    ++tail;
    return true;
  }

　　

从代码中咱们看到，当队列的 tail 指针移动到数组的最右边后，若是有新的数据入队，咱们能够将 head 到 tail 之间的数据，总体搬移到数组中 0 到 tail-head 的位置。

 

 

 

这种实现思路中，出队操做的时间复杂度仍然是 O(1)，但入队操做的时间复杂度仍是 O(1) 吗？你能够用咱们第 3 节、第 4 节讲的算法复杂度分析方法，本身试着分析一下。

 

接下来，咱们再来看下基于链表的队列实现方法。

 

基于链表的实现，咱们一样须要两个指针：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。如图所示，入队时，tail->=new_node，tail=ail->next；出队时，head=head->next。

 

 

循环队列

 

咱们刚才用数组来实现队列的时候，在 tail==n 时，会有数据搬移操做，这样入队操做性能就会受到影响。那有没有办法可以避免数据搬移呢？咱们来看看循环队列的解决思路。

 

循环队列，顾名思义，它长得像一个环。本来数组是有头有尾的，是一条直线。如今咱们把首尾相连，扳成了一个环。我画了一张图，你能够直观地感觉一下。

 

 

咱们能够看到，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，咱们放入下标为 7 的位置。但这个时候，咱们并不把 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，咱们将 b 放入下标为 0 的位置，而后 tail 加 1 更新为 1。因此，在 a，b 依次入队以后，循环队列中的元素就变成了下面的样子：

 

 

 

经过这样的方法，咱们成功避免了数据搬移操做。看起来不难理解，可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，我我的以为，最关键的是，肯定好队空和队满的断定条件。

 

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，你能够看一下，试着总结一下规律。

 

 

就像我图中画的队满的状况，tail=3，head=4，n=8，因此总结一下规律就是：(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 指向的位置其实是没有存储数据的。因此，循环队列会浪费一个数组的存储空间。 Talk is cheap，若是仍是没怎么理解，那就 show you code 吧。

 

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() {
    // 若是 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

 

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。而一些具备特殊特性的队列应用却比较普遍，好比阻塞队列和并发队列。

 

阻塞队列其实就是在队列基础上增长了阻塞操做。简单来讲，就是在队列为空的时候，从队头取数据会被阻塞。由于此时尚未数据可取，直到队列中有了数据才能返回；若是队列已经满了，那么插入数据的操做就会被阻塞，直到队列中有空闲位置后再插入数据，而后再返回。

 

 

 

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，咱们可使用阻塞队列，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”，能够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”。+并且不只如此，基于阻塞队列，咱们还能够经过协调“生产者”和“消费者”的个数，来提升数据的处理效率。好比前面的例子，咱们能够多配置几个“消费者”，来应对一个“生产者”。

 

 

 

前面咱们讲了阻塞队列，在多线程状况下，会有多个线程同时操做队列，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？

 

线程安全的队列咱们叫做并发队列。最简单直接的实现方式是直接在 enqueue()、dequeue() 方法上加锁，可是锁粒度大并发度会比较低，同一时刻仅容许一个存或者取操做。实际上，基于数组的循环队列，利用 CAS 原子操做，能够实现很是高效的并发队列。这也是循环队列比链式队列应用更加普遍的缘由。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，咱们如今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？各类处理策略又是如何实现的呢？

 

咱们通常有两种处理策略。第一种是非阻塞的处理方式，直接拒绝任务请求；另外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？+咱们但愿公平地处理每一个排队的请求，先进者先服务，因此队列这种数据结构很适合来存储排队请求。咱们前面说过，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，能够实现一个支持无限排队的无界队列（unbounded queue），可是可能会致使过多的请求排队等待，请求处理的响应时间过长。因此，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，因此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讲，就相对更加合理。不过，设置一个合理的队列大小，也是很是有讲究的。队列太大致使等待的请求太多，队列过小会致使没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以外，队列能够应用在任何有限资源池中，用于排队请求，好比数据库链接池等。实际上，对于大部分资源有限的场景，当没有空闲资源时，基本上均可以经过“队列”这种数据结构来实现请求排队。

 

内容小结

 

今天咱们讲了一种跟栈很类似的数据结构，队列。关于队列，你能掌握下面的内容，这节就没问题了。

 

队列最大的特色就是先进先出，主要的两个操做是入队和出队。跟栈同样，它既能够用数组来实现，也能够用链表来实现。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，会有数据搬移操做，要想解决数据搬移的问题，咱们就须要像环同样的循环队列。

 

循环队列是咱们这节的重点。要想写出没有 bug 的循环队列实现代码，关键要肯定好队空和队满的断定条件，具体的代码你要能写出来。

 

除此以外，咱们还讲了几种高级的队列结构，阻塞队列、并发队列，底层都仍是队列这种数据结构，只不过在之上附加了不少其余功能。阻塞队列就是入队、出队操做能够阻塞，并发队列就是队列的操做多线程安全。

 

思考

 

除了线程池这种池结构会用到队列排队请求，你还知道有哪些相似的池结构或者场景中会用到队列的排队请求呢？