JAVA并发编程： PriorityQueue -》阻塞队列 PriorityBlockingQueue
生活
一旦一种新技术开始滚动碾压道路，如果你不能成为压路机的一部分，那么你就只能成为道路的一部分。
PriorityQueue
阻塞队列里的PriorityBlockingQueue基于PriorityQueue，所以在研究PriorityBlockingQueue之前要先研究一下PriorityQueue，这是一个有优先级概念的队列，是有顺序的，他的顺序是通过内部的比较器实现。
他的内部维护了一个数组，但不是一个简单的数组，其实是通过一个数组，维护一个二叉堆的数据结构。
因此先把二叉堆搞清楚。
啥是二叉堆
研究二叉堆，有必要先把堆的概念搞清楚，注意：这里指代的堆，并不是java开发中常说的堆栈的那个堆哦。
那么，堆是一种怎么样的数据结构呢？
堆通常是一个可以看成一棵树的数组对象，有以下两个特征：
1、堆的某个节点，总是不大于或者不小于父节点
2、堆是一颗完全树。
二叉堆是一种特殊的堆，二叉树是一颗完全二叉树或者近似于完全二叉树。
二叉堆又有两种，最大堆和最小堆。
最大堆：父节点总是大于等于任何一个子节点
最小堆：父节点总是小于等于任何一个子节点。
来图解表示下二叉堆
上图是一个二叉堆（完全二叉树），他的特点是在N层被填满之前，不会开始第N+1层的填充，并且填充的顺序是从左往右。
二叉堆又可以用数组来表示：
如下图
通过上图可以发现一个规律，使用数组实现的二叉堆，位置N上的元素，其左孩子在2N+1处，其右孩子在2N+2处，根节点是0。
由于ProtityQueue是一个有优先级概念的队列，因此可以使用二叉堆来实现，队列的入队和出队，也可以通过二叉堆来实现，对应到二叉堆就是他的上移和下移，下面来图解一下 二叉堆的上移和下移。
这些图都是盗来的。。自己绘画水平太差了~~
二叉堆的上移
下面图解描述一下如何向二叉堆添加一个元素：
图1是一个二叉堆 最小堆（完全二叉树）
图2在二叉树的最后插入一个节点2
图3 由于图2中2的父节点6比它大，所以2和6交换
图4 由于2的父节点5比它，所以2和5交换，
此时又是一个标准的二叉堆。
二叉堆的下移
下面来看下如何把二叉堆中第一个元素移出，即优先队列中的出队操作。
图1一个二叉堆
图2准备出队最小元素1，先把最后一个元素8所在的位置删除
图3 最小节点1下两个孩子节点，取最小节点3交换
图4 最小节点1下两个孩子节点，去最小节点4交换
此时根元素1的最小孩子节点9比8还大，直接用8覆盖1。1即被删除了。
PriorityQueue的创建
//容器数组
transient Object[] queue;
//构造器很多，总的来说指定容量和比较器，如果没有指定比较器，要求存入的元素必须实现了Compareable接口，如果没有指定容量默认11
public PriorityQueue() {
//默认11
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, null);
}
public PriorityQueue(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, null);
}
public PriorityQueue(Comparator comparator) {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, comparator);
}
public PriorityQueue(int initialCapacity,
Comparator comparator) {
// Note: This restriction of at least one is not actually needed,
// but continues for 1.5 compatibility
if (initialCapacity < 1)
throw new IllegalArgumentException();
this.queue = new Object[initialCapacity];
this.comparator = comparator;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public PriorityQueue(Collection c) {
if (c instanceof SortedSet) {
SortedSet ss = (SortedSet) c;
this.comparator = (Comparator) ss.comparator();
initElementsFromCollection(ss);
}
else if (c instanceof PriorityQueue) {
PriorityQueue pq = (PriorityQueue) c;
this.comparator = (Comparator) pq.comparator();
initFromPriorityQueue(pq);
}
else {
this.comparator = null;
initFromCollection(c);
}
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public PriorityQueue(PriorityQueue c) {
this.comparator = (Comparator) c.comparator();
initFromPriorityQueue(c);
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public PriorityQueue(SortedSet c) {
this.comparator = (Comparator) c.comparator();
initElementsFromCollection(c);
}
PriorityQueue的入队
public boolean offer(E e) {
//元素为空就报错
if (e == null)
throw new NullPointerException();
modCount++;
int i = size;
//容量不够就扩容
if (i >= queue.length)
//扩容
grow(i + 1);
size = i + 1;
//当是第一个元素时，就不用去比较只需要放在根节点即可
if (i == 0)
queue[0] = e;
else
//上移
siftUp(i, e);
return true;
}
//扩容
private void grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = queue.length;
// Double size if small; else grow by 50%
//如果原长度小于64，则设置新容量 原来+原来的+2
//否则 原来+原来/2
int newCapacity = oldCapacity + ((oldCapacity < 64) ?
(oldCapacity + 2) :
(oldCapacity >> 1));
// overflow-conscious code
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
queue = Arrays.copyOf(queue, newCapacity);
}
//上移代码
//根据是否有比较器选择不一样的方法
private void siftUp(int k, E x) {
if (comparator != null)
siftUpUsingComparator(k, x);
else
siftUpComparable(k, x);
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private void siftUpComparable(int k, E x) {
Comparable key = (Comparable) x;
while (k > 0) {
// 比较自己与父节点，比较不满足条件就互换
int parent = (k - 1) >>> 1;
Object e = queue[parent];
if (key.compareTo((E) e) >= 0)
break;
queue[k] = e;
k = parent;
}
queue[k] = key;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private void siftUpUsingComparator(int k, E x) {
//同上
while (k > 0) {
int parent = (k - 1) >>> 1;
Object e = queue[parent];
if (comparator.compare(x, (E) e) >= 0)
break;
queue[k] = e;
k = parent;
}
queue[k] = x;
}
PriorityQueue的出队
public E poll() {
if (size == 0)
return null;
int s = --size;
modCount++;
//取出第一个元素return出去
E result = (E) queue[0];
//取出最后一个元素
E x = (E) queue[s];
//把最后一个元素的位置置空
queue[s] = null;
if (s != 0)
siftDown(0, x);
return result;
}
private void siftDown(int k, E x) {
if (comparator != null)
siftDownUsingComparator(k, x);
else
siftDownComparable(k, x);
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private void siftDownComparable(int k, E x) {
Comparable key = (Comparable)x;
//之所以循环一半，是因为超过一半的 2n+1就超过这个数组长度，也就是没有子节点了。
int half = size >>> 1; // loop while a non-leaf
while (k < half) {
int child = (k << 1) + 1; // assume left child is least
Object c = queue[child];
int right = child + 1;
//比较两个孩子节点，取最小或者最大的交换
if (right < size &&
((Comparable) c).compareTo((E) queue[right]) > 0)
c = queue[child = right];
if (key.compareTo((E) c) <= 0)
break;
queue[k] = c;
k = child;
}
//把最后一个元素放置在对应的位置上
queue[k] = key;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private void siftDownUsingComparator(int k, E x) {
//同上
int half = size >>> 1;
while (k < half) {
int child = (k << 1) + 1;
Object c = queue[child];
int right = child + 1;
if (right < size &&
comparator.compare((E) c, (E) queue[right]) > 0)
c = queue[child = right];
if (comparator.compare(x, (E) c) <= 0)
break;
queue[k] = c;
k = child;
}
queue[k] = x;
}
PriorityQueue的heapify
回到上面创建优先队列的构造器中，有一些是直接通过一个集合来创建，这里的方法是先把集合里的元素转成一个数组，然后通过heapify方法把这个数组变成一个标准的二叉堆，本质的实现原理就是下移：
private void heapify() {
for (int i = (size >>> 1) - 1; i >= 0; i--)
siftDown(i, (E) queue[i]);
}
PriorityBlockingQueue
PriorityBlockingQueue无非就死在PriorityQueue的基础上加上锁和条件变量
/**
* Lock used for all public operations
*/
private final ReentrantLock lock;
/**
* Condition for blocking when empty
*/
private final Condition notEmpty;
注意到条件变量仅有notEmpty，用以阻塞当队列为空时的出队线程。
为啥没有notFull,因为本身有扩容的操作。所以不存在容量上限的情况。
案例代码
public class PBQTest {
public static void main(String[] args) {
PriorityBlockingQueue queue = new PriorityBlockingQueue();
new Thread(new PBQ(queue,new Student("小明",20))).start();
new Thread(new PBQ(queue,new Student("小红",17))).start();
new Thread(new PBQ(queue,new Student("小刚",25))).start();
new Thread(new PBQ(queue,new Student("小慌",31))).start();
new Thread(new PBQ(queue,null)).start();
new Thread(new PBQ(queue,null)).start();
new Thread(new PBQ(queue,null)).start();
new Thread(new PBQ(queue,null)).start();
}
static class PBQ implements Runnable{
private PriorityBlockingQueue queue;
private Student student;
@Override
public void run() {
if(student == null){
try {
Thread.sleep(Long.valueOf(new Random().nextInt(5000)));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
try {
System.out.println(queue.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
else{
queue.offer(student);
}
}
public PBQ(PriorityBlockingQueue queue, Student student) {
this.queue = queue;
this.student = student;
}
}
static class Student implements Comparable{
@Override
public int compareTo(Student o) {
return this.age>o.age?1:0;
}
private String name;
private int age;
public Student(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
@Override
public String toString() {
return String.format("name:%s,age:%s",name,age);
}
}
}
name:小红,age:17
name:小明,age:20
name:小刚,age:25
name:小慌,age:31