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第7章 Java并发包中并发队列原理剖析

2019-04-15 21:18 239 查看

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  • LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue比较简单,不进行讲解了。下面只介绍PriorityBlockingQueue和DelayQueue。

    PriorityBlockingQueue

    PriorityBlockingQueue是带优先级的无界阻塞队列,每次出队都返回优先级最高或最低的元素。内部使用二叉堆实现。

    类图结构

    PriorityBlockingQueue内部有一个数组queue,用来存放队列元素。allocationSpinLock是个自旋锁,通过CAS操作来保证同时只有一个线程可以扩容队列,状态为0或1。

    由于这是一个优先队列,所以有一个comparator用来比较元素大小。

    下面为构造函数:

    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11;
    
    public PriorityBlockingQueue() {
    this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, null);
    }
    
    public PriorityBlockingQueue(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, null);
    }

    可知默认队列容量为11,默认比较器为null,也就是使用元素的compareTo方法进行比较来确定元素的优先级,这意味着队列元素必须实现Comparable接口。

    原理讲解

    boolean offer()

    public boolean offer(E e) {
    if (e == null)
    throw new NullPointerException();
    // 获取独占锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    int n, cap;
    Object[] array;
    // 扩容
    while ((n = size) >= (cap = (array = queue).length))
    tryGrow(array, cap);
    try {
    Comparator<? super E> cmp = comparator;
    if (cmp == null)
    // 通过对二叉堆的上浮操作保证最大或最小的元素总在根节点
    siftUpComparable(n, e, array);
    else
    // 使用了自定义比较器
    siftUpUsingComparator(n, e, array, cmp);
    size = n + 1;
    // 激活因调用take()方法被阻塞的线程
    notEmpty.signal();
    } finally {
    // 释放锁
    lock.unlock();
    }
    return true;
    }

    流程比较简单,下面主要看扩容和建堆操作。

    先看扩容。

    private void tryGrow(Object[] array, int oldCap) {
    // 由前面的代码可知,调用tryGrow函数前先获取了独占锁,
    // 由于扩容比较费时,此处先释放锁,
    // 让其他线程可以继续操作(如果满足可操作的条件的话),
    // 以提升并发性能
    lock.unlock();
    Object[] newArray = null;
    // 通过allocationSpinLock保证同时最多只有一个线程进行扩容操作。
    if (allocationSpinLock == 0 &&
    UNSAFE.compareAndSwapInt(this, allocationSpinLockOffset,0, 1)) {
    try {
    // 当容量比较小时,一次只增加2容量
    // 比较大时增加一倍
    int newCap = oldCap + ((oldCap < 64) ?(oldCap + 2) : (oldCap >> 1));
    // 溢出检测
    if (newCap - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
    int minCap = oldCap + 1;
    if (minCap < 0 || minCap > MAX_ARRAY_SIZE)
    throw new OutOfMemoryError();
    newCap = MAX_ARRAY_SIZE;
    }
    if (newCap > oldCap && queue == array)
    newArray = new Object[newCap];
    } finally {
    // 释放锁,没用CAS是因为同时最多有一个线程操作allocationSpinLock
    allocationSpinLock = 0;
    }
    }
    // 如果当前线程发现有其他线程正在对队列进行扩容,
    // 则调用yield方法尝试让出CPU资源促使扩容操作尽快完成
    if (newArray == null)
    Thread.yield();
    lock.lock();
    if (newArray != null && queue == array) {
    queue = newArray;
    System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, oldCap);
    }
    }

    下面来看建堆算法

    private static <T> void siftUpComparable(int k, T x, Object[] array) {
    Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>) x;
    while (k > 0) {
    // 获取父节点,设子节点索引为k,
    // 则由二叉堆的性质可知,父节点的索引总为(k - 1) >>> 1
    int parent = (k - 1) >>> 1;
    // 获取父节点对应的值
    Object e = array[parent];
    // 只有子节点的值小于父节点的值时才上浮
    if (key.compareTo((T) e) >= 0)
    break;
    array[k] = e;
    k = parent;
    }
    array[k] = key;
    }

    如果了解二叉堆的话,此处代码是十分容易理解的。关于二叉堆,可参看《数据结构之二叉堆》

    E poll()

    public E poll() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
    // 出队
    return dequeue();
    } finally {
    lock.unlock();
    }
    }
    
    private E dequeue() {
    int n = size - 1;
    if (n < 0)
    return null;
    else {
    Object[] array = queue;
    E result = (E) array[0];
    // 获取尾节点,在实现对二叉堆的下沉操作时要用到
    E x = (E) array[n];
    array[n] = null;
    Comparator<? super E> cmp = comparator;
    if (cmp == null)
    // 下沉操作,保证取走最小的节点(根节点)后,新的根节点仍时最小的,二叉堆的性质依然满足
    siftDownComparable(0, x, array, n);
    else
    // 使用自定义比较器
    siftDownUsingComparator(0, x, array, n, cmp);
    size = n;
    return result;
    }
    }

    poll方法通过调用dequeue方法使最大或最小的节点出队并将其返回。

    下面来看二叉堆的下沉操作。

    private static <T> void siftDownComparable(int k, T x, Object[] array, int n) {
    if (n > 0) {
    Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>)x;
    int half = n >>> 1;
    while (k < half) {
    // child为两个子节点(如果有的话)中较小的那个对应的索引
    int child = (k << 1) + 1;
    Object c = array[child];
    int right = child + 1;
    // 通过比较保证child对应的为较小值的索引
    if (right < n &&
    ((Comparable<? super T>) c).compareTo((T) array[right]) > 0)
    c = array[child = right];
    if (key.compareTo((T) c) <= 0)
    break;
    // 下沉,将较小的子节点换到父节点位置
    array[k] = c;
    k = child;
    }
    array[k] = key;
    }
    }

    同上,对下沉操作有疑问的话可参考上述文章。

    void put(E e)

    调用了offer

    public void put(E e){
    offer(e);
    }

    E take()

    take操作的作用是获取二叉堆的根节点元素,如果队列为空则阻塞。

    public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 阻塞可被中断
    lock.lockInterruptibly();
    E result;
    try {
    // 队列为空就将当前线程放入notEmpty条件队列
    // 使用while循环判断是为了避免虚假唤醒
    while ( (result = dequeue()) == null)
    notEmpty.await();
    } finally {
    lock.unlock();
    }
    return result;
    }

    DelayQueue

    DelayQueue并发队列是一个无界阻塞延迟队列,队列中的每一个元素都有一个过期时间,当从队列中获取元素时只有过期元素才会出列。队列头元素是最快要过期的元素。

    类图结构

    DelayQueue内部使用PriorityQueue存放数据,使用ReentrantLock实现线程同步。
    队列里的元素要实现Delayed接口(Delayed接口继承了Comparable接口),用以得到过期时间并进行过期时间的比较。

    public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
    long getDelay(TimeUnit unit);
    }

    available是由lock生成的条件变量,用以实现线程间的同步。

    leader是leader-follower模式的变体,用于减少不必要的线程等待。当一个线程调用队列的take方法变为leader线程后,它会调用条件变量available.waitNanos(delay)等待delay时间,但是其他线程(follower)则会调用available.await()进行无限等待。leader线程延迟时间过期后,会退出take方法,并通过调用available.signal()方法唤醒一个follower线程,被唤醒的线程会被选举为新的leader线程。

    原理讲解

    boolean offer(E e)

    public boolean offer(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
    // 添加新元素
    q.offer(e);
    // 查看新添加的元素是否为最先过期的
    if (q.peek() == e) {
    leader = null;
    available.signal();
    }
    return true;
    } finally {
    lock.unlock();
    }
    }

    上述代码首先获取独占锁,然后添加元素到优先级队列,由于q是优先级队列,所以添加元素后,调用q.peek()方法返回的并不一定是当前添加的元素。当如果q.peek() == e,说明当前元素是最先要过期的,那么重置leader线程为null并激活available条件队列里的一个线程,告诉它队列里面有元素了。

    E take()

    获取并移除队列里面过期的元素,如果队列里面没有过期元素则等待。

    public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 可中断
    lock.lockInterruptibly();
    try {
    for (;;) {
    E first = q.peek();
    // 为空则等待
    if (first == null)
    available.await();
    else {
    long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
    // 过期则成功获取
    if (delay <= 0)
    return q.poll();
    // 执行到此处,说明头元素未过期
    first = null; // don't retain ref while waiting
    // follower无限等待,直到被唤醒
    if (leader != null)
    available.await();
    else {
    Thread thisThread = Thread.currentThread();
    leader = thisThread;
    try {
    // leader等待lelay时间,则头元素必定已经过期
    available.awaitNanos(delay);
    } finally {
    // 重置leader,给follower称为leader的机会
    if (leader == thisThread)
    leader = null;
    }
    }
    }
    }
    } finally {
    if (leader == null && q.peek() != null)
    // 唤醒一个follower线程
    available.signal();
    lock.unlock();
    }
    }

    一个线程调用take方法时,会首先查看头元素是否为空,为空则直接等待,否则判断是否过期。
    若头元素已经过期,则直接通过poll获取并移除,否则判断是否有leader线程。
    若有leader线程则一直等待,否则自己成为leader并等待头元素过期。

    E poll()

    获取并移除头过期元素,如果没有过期元素则返回null。

    public E poll() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
    E first = q.peek();
    // 若队列为空或没有元素过期则直接返回null
    if (first == null || first.getDelay(NANOSECONDS) > 0)
    return null;
    else
    return q.poll();
    } finally {
    lock.unlock();
    }
    }

    int size()

    计算队列元素个数,包含过期的和未过期的。

    public int size() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
    return q.size();
    } finally {
    lock.unlock();
    }
    }

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