极客时间-数据结构与算法之美笔记-9 队列：队列在线程池等有限资源池中的应用
内容导读
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内容图文
极客时间-数据结构与算法之美笔记-9 队列：队列在线程池等有限资源池中的应用
我们知道，CPU 资源是有限的，任务的处理速度与线程个数并不是线性正相关。相反，过多的线程反而会导致 CPU 频繁切换，处理性能下降。所以，线程池的大小一般都是综合考虑要处理任务的特点和硬件环境，来事先设置的。
当我们向固定大小的线程池中请求一个线程时，如果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？是拒绝请求还是排队请求？各种处理策略又是怎么实现的呢？其底层的数据结构就是我们今天要学的内容，队列（queue）。
一、如何理解“队列”？
队列这个概念非常好理解。你可以把它想象成排队买票，先来的先买，后来的人只能站末尾，不允许插队。先进者先出，这就是典型的“队列”。
我们知道，栈只支持两个基本操作：入栈 push()和出栈 pop()。队列跟栈非常相似，支持的操作也很有限，最基本的操作也是两个：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。
所以，队列跟栈一样，也是一种操作受限的线性表数据结构。
作为一种非常基础的数据结构，队列的应用也非常广泛，特别是一些具有某些额外特性的队列，比如循环队列、阻塞队列、并发队列。它们在很多偏底层系统、框架、中间件的开发中，起着关键性的作用。比如高性能队列 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。
二、顺序队列和链式队列
如何实现一个队列呢？
跟栈一样，队列可以用数组来实现，也可以用链表来实现。用数组实现的栈叫作顺序栈，用链表实现的栈叫作链式栈。同样，用数组实现的队列叫作顺序队列，用链表实现的队列叫作链式队列。
如下是基于数组的Java实现方法
// 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) {
// 如果 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() {
// 如果 head == tail 表示队列为空
if (head == tail) return null;
String ret = items[head];
++head;
return ret;
}
}
对于栈来说，我们只需要一个栈顶指针就可以了。但是队列需要两个指针：一个是 head 指针，指向队头；一个是 tail 指针，指向队尾。
当 a、b、c、d 依次入队之后，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。
当我们调用两次出队操作之后，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。
随着不停地进行入队、出队操作，head 和 tail 都会持续往后移动。当 tail移动到最右边，即使数组中还有空闲空间，也无法继续往队列中添加数据了。这个问题该如何解决呢？
我们可以进行数据搬移！但是，每次进行出队操作都相当于删除数组下标为 0 的数据，要搬移整个队列中的数据，这样出队操作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，我们在出队时可以不用搬移数据。如果没有空闲空间了，我们只需要在入队时，再集中触发一次数据的搬移操作。借助这个思想，出队函数 dequeue() 保持不变，我们稍加改造一下入队函数 enqueue() 的实现，就可以轻松解决刚才的问题了。下面是具体的代码：
// 入队操作，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];
}
// 搬移完之后重新更新 head 和 tail
tail -= head;
head = 0;
}
items[tail] = item;
++tail;
return true;
}
从代码中我们看到，当队列的 tail 指针移动到数组的最右边后，如果有新的数据入队，我们可以将 head 到 tail 之间的数据，整体搬移到数组中 0 到 tail-head 的位置。
这种实现思路中，入队（均摊）、出队操作的时间复杂度仍然是 O(1)。
接下来，我们再来看下基于链表的队列实现方法。
基于链表的实现，我们同样需要两个指针： 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->next= new_node, tail = tail->next ；出队时，head = head->next 。
代码实现：
public class LinkedQueue {
// 定义一个节点类
private class Node{
String value;
Node next;
}
// 记录队列元素个数
private int size = 0;
//head 指向队头结点， tail 指向队尾节点
private Node head;
private Node tail;
// 入队
public boolean enqueue(String item){
Node newNode = new Node();
newNode.value = item;
if (size == 0){
head = newNode;
tail = newNode;
}else{
tail.next = newNode;
tail = newNode;
}
size++;
return true;
}
// 出队
public String dequeue(){
String res = null;
if(size == 0) return res;
res = head.value;
head = head.next;
size--;
return res;
}
public static void main(String[] args){
LinkedQueue test = new LinkedQueue();
System.out.println("initial size:" + test.size);
// 入队abcdef
for (int i = 0; i < 6; i++) {
test.enqueue(String.valueOf((char)(i+97)));
}
System.out.println("enqueued size:" + test.size);
// 出队四个元素
for (int i = 0; i < 4; i++){
test.dequeue();
}
System.out.println("dequeued size:" + test.size);
}
}
三、循环队列
我们刚才用数组来实现队列的时候，在 tail==n 时，会有数据搬移操作，这样入队操作性能就会受到影响。那有没有办法能够避免数据搬移呢？我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。原本数组是有头有尾的，是一条直线。现在我们把首尾相连，扳成了一个环。
我们可以看到，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，我们放入下标为 7 的位置。但这个时候，我们并不把 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，我们将 b 放入下标为 0 的位置，然后 tail 加 1 更新为 1 。所以，在 a，b 依次入队之后，循环队列中的元素就变成了下面的样子：
通过这样的方法，我们成功避免了数据搬移操作。看起来不难理解，但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，最关键的是，确定好队空和队满的判定条件。
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，你可以看一下，试着总结一下规律。
就像我图中画的队满的情况，tail=3，head=4， n=8 ，所以总结一下规律就是： (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 指向的位置实际上是没有存储数据的。所以，循环队列会浪费一个数组的存储空间。
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() {
// 如果head == tail 表示队列为空
if (head == tail) return null;
String ret = items[head];
head = (head + 1) % n;
return ret;
}
}
四、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。而一些具有特殊特性的队列应用却比较广泛，比如阻塞队列和并发队列。
阻塞队列其实就是在队列基础上增加了阻塞操作。简单来说，就是在队列为空的时候，从队头取数据会被阻塞。因为此时还没有数据可取，直到队列中有了数据才能返回；如果队列已经满了，那么插入数据的操作就会被阻塞，直到队列中有空闲位置后再插入数据，然后再返回。
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，我们可以使用阻塞队列，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 ” ，可以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 ” 。
而且不仅如此，基于阻塞队列，我们还可以通过协调 “ 生产者 ” 和 “ 消费者 ” 的个数，来提高数据的处理效率。比如前面的例子，我们可以多配置几个 “ 消费者 ” ，来应对一个 “ 生产者 ” ：
前面我们讲了阻塞队列，在多线程情况下，会有多个线程同时操作队列，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？
线程安全的队列我们叫作并发队列。最简单直接的实现方式是直接在enqueue()、dequeue()方法上加锁，但是锁粒度大并发度会比较低，同一时刻仅允许一个存或者取操作。实际上，基于数组的循环队列，利用 CAS 原子操作，可以实现非常高效的并发队列。这也是循环队列比链式队列应用更加广泛的原因。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，我们现在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？各种处理策略又是如何实现的呢？
我们一般有两种处理策略。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？
我们希望公平地处理每个排队的请求，先进者先服务，所以队列这种数据结构很适合来存储排队请求。我们前面说过，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，可以实现一个支持无限排队的无界队列（ unbounded queue ），但是可能会导致过多的请求排队等待，请求处理的响应时间过长。所以，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，所以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说，就相对更加合理。不过，设置一个合理的队列大小，也是非常有讲究的。队列太大导致等待的请求太多，队列太小会导致无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之外，队列可以应用在任何有限资源池中，用于排队请求，比如数据库连接池等。实际上，对于大部分资源有限的场景，当没有空闲资源时，基本上都可以通过“队列”这种数据结构来实现请求排队。
内容小结
今天我们讲了一种跟栈很相似的数据结构，队列。关于队列，你能掌握下面的内容，这节就没问题了。
队列最大的特点就是先进先出，主要的两个操作是入队和出队。跟栈一样，它既可以用数组来实现，也可以用链表来实现。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，会有数据搬移操作，要想解决数据搬移的问题，我们就需要像环一样的循环队列。
循环队列是我们这节的重点。要想写出没有 bug 的循环队列实现代码，关键要确定好队空和队满的判定条件，具体的代码你要能写出来。
除此之外，我们还讲了几种高级的队列结构，阻塞队列、并发队列，底层都还是队列这种数据结构，只不过在之上附加了很多其他功能。阻塞队列就是入队、出队操作可以阻塞，并发队列就是队列的操作多线程安全。
课后思考
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除了线程池这种池结构会用到队列排队请求，你还知道有哪些类似的池结构或者场景中会用到队列的排队请求呢？
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今天讲到并发队列，关于如何实现无锁并发队列，网上有非常多的讨论。对这个问题，你怎么看呢？
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队列的应用非常广泛，特别是一些具有某些额外特性的队列，比如循环队列、阻塞队列、并发队列。它们在很多偏底层的系统、框架、中间件的开发中，起着关键性的作用。比如高性能队列 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。分布式应用中的消息队列，也是一种队列结构。
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考虑使用 CAS 实现无锁队列，则在入队前，获取 tail 位置，入队时比较 tail 是否发生变化，如果否，则允许入队，反之，本次入队失败。出队则是获取 head 位
置，进行 cas 。
内容总结
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