图解--队列、并发队列

提到队列，咱们会在不少地方听到或者看到，

那咱们来看一下这位不太说话的老朋友，

从栈很容易联想到队列的实现

• 栈是先进后出的数据结构，队列而言它是先进先出。
• 对栈而言，在栈顶有一个指针便可。
• 队列是须要两个指针，一个在队头，一个在队尾。对应着入队操做和出队操做。
• 基于数组实现的是顺序队列，基于链表实现的是链式队列。

 

一个数组实现的顺序队列，在 入队了 AA 、BB 、CC 后，

队头指针 head=0，队尾指针 tail=3。以下图：

 

紧接着，又有两次出队，一样，对于出队head指针日后移动两个：

 

以上两个图对应的如队出队操做，也是很容易看出问题所在：

随着入队出队一波操做，tail指针很容易移动到最后的位置，表面上不能再入队了。

可是极有可能如图二同样，头指针head前面有大片空地。

怎么办？搬！我在出队以后，后面的数据往前挪，咱们能够称之为移动补位。

 

可是每一次出队操做都去搬数据，时间复杂度想一想就会很高 O(n)

怎么优化？

tail指针抵达末尾，同时head指针不在队头。也就是tail到了最后，且head前面有空。

此时触发数据搬移，过程以下：

 

人的思想不断进步，而且思考如何作得更加轻巧灵活。

咱们会思考，可不能够不用搬移数据呢？

能够，接下来轮到循环队列登场了。。。。。。

循环队列，顾名思义。首尾相连造成环。哝，就是这个样子：

 

长得这么好看，必定要对得起咱们对它的指望。

通过一番出队入队，头部索引=2，尾部指针指向最后一个位置，即将接受FF入队，

 

此时看上去又到了挪动数组的时候了？

环形的存在就是为了不队列的数据搬移，我想你已经想到了它的灵巧之处。

对，就是将数据FF填充到索引=5处，tail指针移动到下一个，也就是索引=0处，就成了这样：

 

队列在平时工做时用的机会场景比较少，可是在一些偏底层系统中确实应用比较普遍。

好比：阻塞队列、并发队列

阻塞队列，就是在队空时，取数据会被直接拒绝。直到有数据才会容许被访问。

这种模型相似于 生产-消费关系，对的，这也是不少的消息队列的思想和应用。

这种阻塞队列能够协调生产和消费的关系。固然，也能够生产的i消息被多个消费。

 

这又产生了一个线程并发问题，咱们如何保证线程安全呢？这就须要并发队列。

基于数组的循环队列+CAS原子操做，能够很好的实现无锁并发队列。

 

基于以上，微软给咱们所提供的这些源码：

• 队列 Queue ;
• 泛型队列 Queue<T>;
• 阻塞泛型集合 BlockingCollection<T>
• 以及微软强大的并行库中的并发泛型队列 ConcurrentQueue<T>

 咱们着重看一下泛型队列和并发泛型队列

队列 Queue 、泛型队列 Queue<T>

咱们直接看一下泛型版本的：

0、注释说明：这是一个基于数组实现的环形队列，也就是循环队列

一、初始定义

 

二、重要的私有变量

 

三、入队：分为两块主逻辑，一个是队满，一个是正常插入。

 

 第0步已经注释说明这是一个循环队列，因此咱们借此机会分析一下这个循环队列。

• 队满 

  if (_size == _array.Length)  2倍扩容而且有最小装载量判断。

• 正常

　　　_tail = (_tail + 1) % _array.Length; 下面咱们来看看这句话怎么来的。

 对于非循环队列，头尾指针和数组的关系好确认。

 而循环队列，由于是一个环，因此怎样定位移动后的指针位置才是关键的。

 

数组长度=6

当我入队FF，原来尾部指针=5，当前尾部指针=0；

接着入队GG,  原来尾部指针=0，当前尾部指针=1；

当我入队HH，原来尾部指针=1，当前尾部指针=2；

规律：当前指针 = （原来指针 +1） % 数组长度 

四、出队同3

 

ConcurrentQueue<T>

注释说的很明白，这是一个无锁并发队列

咱们在看源码以前先来了解一些定义

对于如今的多CPU、以及超线程概念的操做系统来讲，CPU和内存以前存在处理速度上的差距，因此中间加了寄存器和高速缓存来缓冲。

多线程并发状况下，多核计算机，一个CPU读取的是在寄存器中的值，另外一个CPU读取的是内存中的值，这就形成了数据不一样步。

对于产生的并发问题，咱们来看看并发队列对这些的处理。

咱们先来理解接下代码中涉及到的名词：

一、易失结构 volatile : 告诉编译器和CLR不须要优化代码顺序，使得代码可控。不用将字段缓存到寄存器，缓存早内存中就行。

二、互锁结构  Interlocked : CAS保证原子性读取操做

三、自旋锁 ：原地打转，直到达到条件才离开。对于线程来说，一直持有资源不撒手。

四、线程类提供了几个方法：

• Thread.Sleep(0)：挂起自身，让出剩余的时间片，强迫系统调度其余同级或者更高级的线程。
• Thread.Sleep(1)：强迫进行一次上下文切换
• Thread.Ylied()：提早结束剩余的时间片，使得同级或者低级线程可能被调度。
• Thread.SpinWait()：超线程CPU模式下，强迫自身暂停，容许CPU调度其余线程。

五、CAS理论：compare and swap 比较并交换。该操做经过将内存中的值与指定数据进行比较，当数值同样时将内存中的数据替换为新的值。

 

天也不早了，人也很多了，让咱们干点正事。简单看看入队和出队操做。

入队：

需求是怎样保证入队的原子性？

经过 Interlocked 声明同步块，只容许一个线程抢占资源进行入队，其余线程使用自旋锁进行原地等待。

等当前线程释放同步块，其余线程再次抢占同步块，而后入队。直到队满跳出。 

 

• 下面这是声明了自旋锁，线程进行入队抢占。

 

• m_high =-1 

 

• m_high 经过 Interlicked CAS原子操做，递增。进行入队或者队满判断。

 

出队：也是相似，经过自旋锁，抢占同步块进行原子性出队操做。

 

最后咱们再来悄悄看看 自旋锁自旋逻辑：

自旋至少10次，而后进行相应的自旋等待，而且相应的让出本身的时间片，让其余低级别线程能够获得调度。

 

整体来讲，并发队列经过CAS进行原子性入队和出队，并结合自旋锁进行抢占资源。

也就是不少的线程并发入队或者出队，同一时刻只有一个能够进行原子性入队出队。