数据结构与算法-阻塞队列

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阻塞队列

  • 1. 概述
  • 2. 代码实现
    • a. 代码接口
    • b. 单锁实现
    • c. 双锁实现

1. 概述

之前的队列在很多场景下都不能很好地工作,例如

  1. 大部分场景要求分离向队列放入(生产者)、从队列拿出(消费者)两个角色、它们得由不同的线程来担当,而之前的实现根本没有考虑线程安全问题
  2. 队列为空,那么在之前的实现里会返回 null,如果就是硬要拿到一个元素呢?只能不断循环尝试
  3. 队列为满,那么再之前的实现里会返回 false,如果就是硬要塞入一个元素呢?只能不断循环尝试

因此我们需要解决的问题有

  1. 用锁保证线程安全
  2. 用条件变量让等待非空线程等待不满线程进入等待状态,而不是不断循环尝试,让 CPU 空转

有同学对线程安全还没有足够的认识,下面举一个反例,两个线程都要执行入队操作(几乎在同一时刻)

2. 代码实现

a. 代码接口

public interface BlockingQueue<E> { // 阻塞队列

    void offer(E e) throws InterruptedException;

    boolean offer(E e, long timeout) throws InterruptedException;

    E poll() throws InterruptedException;
}

b. 单锁实现

/**
 * 单锁实现
 * @param  元素类型
 */
@SuppressWarnings("all")
public class BlockingQueue1<E> implements BlockingQueue<E> {

    private final E[] array;
    private int head;
    private int tail;
    private int size;
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private Condition headWaits = lock.newCondition();
    private Condition tailWaits = lock.newCondition();

    public BlockingQueue1(int capacity){
        array = (E[]) new Object[capacity];
    }

    private boolean isEmpty(){
        return size == 0;
    }

    private boolean isFull(){
        return size == array.length;
    }

    @Override
    public void offer(E e) throws InterruptedException { // poll 等待队列非空
        lock.lockInterruptibly(); // 加锁
        try {
            while (isFull()){
                tailWaits.await(); // 线程阻塞
            }
            array[tail] = e;
            if (++tail == array.length){
                tail = 0;
            }
            size++;
            headWaits.signal(); // 唤醒等待非空的线程
        }finally {
            lock.unlock(); // 解锁
        }
    }

    @Override
    public boolean offer(E e, long timeout) throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly(); // 加锁
        try {
            long t = TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeout);
            while (isFull()){
                if (t <= 0){
                    return false;
                }
                t = tailWaits.awaitNanos(t); // 最多等待多少纳秒  返回值代表剩余时间
            }
            array[tail] = e;
            if (++tail == array.length){
                tail = 0;
            }
            size++;
            headWaits.signal(); // 唤醒等待非空的线程
        }finally {
            lock.unlock(); // 解锁
        }
        return false;
    }

    @Override
    public E poll() throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try{
            while (isEmpty()){
                headWaits.await();
            }
            E e = array[head];
            array[head] = null; // help GC
            if (++head == array.length){
                head = 0;
            }
            size--;
            tailWaits.signal();
            return e;
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        return Arrays.toString(array);
    }

}

c. 双锁实现

单锁的缺点在于:

  • 生产和消费几乎是不冲突的,唯一冲突的是生产者和消费者它们有可能同时修改 size
  • 冲突的主要是生产者之间:多个 offer 线程修改 tail
  • 冲突的还有消费者之间:多个 poll 线程修改 head

如果希望进一步提高性能,可以用两把锁

  • 一把锁保护 tail
  • 另一把锁保护 head
ReentrantLock headLock = new ReentrantLock();  // 保护 head 的锁
Condition headWaits = headLock.newCondition(); // 队列空时,需要等待的线程集合

ReentrantLock tailLock = new ReentrantLock();  // 保护 tail 的锁
Condition tailWaits = tailLock.newCondition(); // 队列满时,需要等待的线程集合
/**
 * 双锁实现
 * @param  元素类型
 */
@SuppressWarnings("all")
public class BlockingQueue2<E> implements BlockingQueue<E> {

    private final E[] array;
    private int head;
    private int tail;
    private AtomicInteger size = new AtomicInteger();

    private ReentrantLock tailLock = new ReentrantLock();
    private Condition tailWaits = tailLock.newCondition();

    private ReentrantLock headLock = new ReentrantLock();
    private Condition headWaits = headLock.newCondition();

    public BlockingQueue2(int capacity) {
        this.array = (E[]) new Object[capacity];
    }

    private boolean isEmpty() {
        return size.get() == 0;
    }

    private boolean isFull() {
        return size.get() == array.length;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return Arrays.toString(array);
    }

    @Override
    public void offer(E e) throws InterruptedException {
        int c; // 添加前元素个数
        tailLock.lockInterruptibly();
        try {
            // 1. 队列满则等待
            while (isFull()) {
                tailWaits.await(); //  offer2
            }

            // 2. 不满则入队
            array[tail] = e;
            if (++tail == array.length) {
                tail = 0;
            }

            // 3. 修改 size
            /*
                size = 6
             */
            c = size.getAndIncrement();
            if (c + 1 < array.length) {
                tailWaits.signal();
            }
            /*
                1. 读取成员变量size的值  5
                2. 自增 6
                3. 结果写回成员变量size 6
             */
        } finally {
            tailLock.unlock();
        }

        // 4. 如果从0变为非空,由offer这边唤醒等待非空的poll线程
        //                       0->1   1->2    2->3
        if(c == 0) {
            headLock.lock(); // offer_1 offer_2 offer_3
            try {
                headWaits.signal();
            } finally {
                headLock.unlock();
            }
        }
    }

    @Override
    public E poll() throws InterruptedException {
        E e;
        int c; // 取走前的元素个数
        headLock.lockInterruptibly();
        try {
            // 1. 队列空则等待
            while (isEmpty()) {
                headWaits.await(); // poll_4
            }

            // 2. 非空则出队
            e = array[head];
            array[head] = null; // help GC
            if (++head == array.length) {
                head = 0;
            }

            // 3. 修改 size
            c = size.getAndDecrement();
            // 3->2   2->1   1->0
            // poll_1 poll_2 poll_3
            if (c > 1) {
                headWaits.signal();
            }
            /*
                1. 读取成员变量size的值 5
                2. 自减 4
                3. 结果写回成员变量size 4
             */
        } finally {
            headLock.unlock();
        }

        // 4. 队列从满->不满时 由poll唤醒等待不满的 offer 线程
        if(c == array.length) {
            tailLock.lock();
            try {
                tailWaits.signal(); // ctrl+alt+t
            } finally {
                tailLock.unlock();
            }
        }

        return e;
    }

    @Override
    public boolean offer(E e, long timeout) throws InterruptedException {
        return false;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockingQueue2<String> queue = new BlockingQueue2<>(3);
        queue.offer("元素1");
        queue.offer("元素2");

        new Thread(()->{
            try {
                queue.offer("元素3");
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }, "offer").start();

        new Thread(()->{
            try {
                queue.poll();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }, "poll").start();
    }
}

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