Java并发包源码学习系列:阻塞队列实现之PriorityBlockingQueue源码解析

编程小技巧之 Linux 文本处理命令(二)

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PriorityBlockingQueue概述

PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界阻塞队列,基于数组的二叉堆,其实就是线程安全的PriorityQueue

指定排序规则有两种方式:

  1. 传入PriorityBlockingQueue中的元素实现Comparable接口,自定义compareTo方法。
  2. 初始化PriorityBlockingQueue时,指定构造参数Comparator,自定义compare方法来对元素进行排序。

需要注意的是如果两个对象的优先级相同,此队列并不保证它们之间的顺序。

PriorityBlocking可以传入一个初始容量,其实也就是底层数组的最小容量,之后会使用tryGrow扩容。

类图结构及重要字段

public class PriorityBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
    implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 5595510919245408276L;
    
    /**
     * 默认的容量为 11 
     */
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11;

    /**
     * 数组的最大容量
     */
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

    /**
     * 平衡二叉堆 实现 优先级队列, 底层用数组结构存储二叉堆 
     * 假设一个n为数组中的索引,数组是从索引0开始存储元素的,因此
     * queue[n]的左儿子存在queue[2*n+1]位置,右儿子存在queue[2*(n+1)]位置
     * 
     * 根据比较器排序,如果没有指定比较器,则按照元素自然顺序排序。
     * 默认是小根堆,第一个元素是堆中最小元素
     *
     */
    private transient Object[] queue;

    /**
     * 优先级队列中元素个数
     */
    private transient int size;

    /**
     * 比较器,如果按照自然序排序,那么此属性可设置为 null
     */
    private transient Comparator<? super E> comparator;

    /**
     * 所有需要保证线程安全的操作都要先获取这把锁
     */
    private final ReentrantLock lock;

    /**
     * 队列空的时候,条件队列存放阻塞线程,为什么没有队列满呢?原因在于它是无界队列
     */
    private final Condition notEmpty;

    /**
     * 用于CAS操作,后面会看到,这个字段用于扩容时
     */
    private transient volatile int allocationSpinLock;

    /**
     * 只用于序列化和反序列化
     */
    private PriorityQueue<E> q;
    
}

什么是二叉堆

这边安利一个数据结构的可视化网站:数据结构可视化网站

二叉堆是完全二叉树,除了最后一层,其他节点都是满的,且最后一层节点从左到右排列,如下:

二叉堆分为大根堆和小根堆,一般来说都是小根堆任意一个节点都小于它的左右子节点的值,根节点就是堆中的最小的值

堆可以使用数组存储,数组的下标可以从0开始,也可以从1开始,各有好处,当然JDK中堆的实现是从0开始的哦。

  • 如果从索引为1的位置开始存储元素,第k个节点的左右子节点的下标:(2k, 2k + 1),父节点的坐标可以很容易求:floor(k / 2),floor表示下取整。
  • 如果从0开始,第k个节点的左右子节点的下标:(2k + 1, 2k + 2),父节点的坐标也可以很容易求:floor((k - 1) / 2),floor表示下取整。

我之前手写堆的时候,都是使用的第一种方式,我就提一嘴第一种的思路,使用第一种思路介绍一下小根堆的几个基本操作,之后我们会详细分析JDK中的实现,也就是第二种。

堆的基本操作

堆中最重要核心的两个操作便是如何将元素向上调整or向下调整

向上调整void up(int u)

以插入操作为例,二话不说,直接在数组末尾插上元素,接着再一一向上层比较,比较的原则的就是:我们只需要比较当前这个数是不是比它的父节点小,如果比它小,就进行交换,否则则停止交换。

思路非常简单,你可以思考一下其合理性:我们想,如果我们每次插入数据的时候,都做一次向上调整的操作,我们一定能够保证,每次都是在一个符合条件的二叉堆上插入数,对吧。那这样的话,本身就满足任何一个父节点必定比其子节点小的条件,如果待调整节点更小,那他必然也小于另一个子节点,由于我们一直迭代做,最后一定会满足条件。

    // 向上调整 u 是当前的索引
    private void up (int u) {
        // 如果发现当前的节点比父节点小
        while (u / 2 > 0 && h[u / 2] > h[u]) {
            // 就和父节点交换一下
            heap_swap(u / 2, u);
            u /= 2;
        }
    }

这边也给出插入一个元素x的伪代码:

	void insert(int x){
        size ++; // 最后一个元素指针
        heap[size] = x; // 赋值
        up(size); // 向上调整
    }

向下调整void down(int u)

为什么需要向下调整呢,以删除操作为例,我们知道,要在数组头部删除一个元素且保证后面元素的顺序是比较麻烦的,我们通常在遇到删除堆顶的时候,直接将数组的最后一个元素heap[size--]将heap[0]覆盖,接着执行down(0),自上而下地执行调整操作。

调整的规则也比较简单,其实就是判断当前元素和左右孩子的大小关系,和最小的那个交换,递归地去调整,直到无法交换为止。

    // 向下调整
    private void down (int u) {
        int t = u;
        if (u * 2 <= size && h[u * 2] < h[t]) t = u * 2; // 判断左儿子是否存在, 且如果左儿子比它小,就更新坐标
        if (u * 2 + 1 <= size && h[u * 2 + 1] < h[t]) t = u * 2 + 1; // 同理
        if (u != t) { // 如果需要交换
            heap_swap(u, t);// 交换一下
            down(t); // 继续做这个操作
        }
    }

这边给出删除小根堆中的最小值的伪代码:

	int poll(){
        int res = heap[1]; // 堆顶是最小值
        heap[1] = heap[size--]; // 直接将最后一个元素覆盖堆顶,并size-1
        down(1); // 执行向下调整
        return res;
    }

我们希望删除第k个元素或者更新第k个元素都是比较简便的:

Redis 实战 —— 09. 实现任务队列、消息拉取和文件分发

// 删除位置为k的元素
void removeAt(int k){
    heap[k] = heap[size --];
    // 分别做一次向下操作和向上操作,其中一个判断必定只会执行一次
    down(k);
    up(k);
}
// 更新位置为k的元素为x
void updateAt(int k, int x){
    heap[k] = x;
    down(k);
    up(k);
}

到这里,我就用简略代码简单地介绍了二叉堆的核心操作,我们待会会看到其实源码的思想不变,但是考虑的东西会更多一些,如果到这里你能够完全明白,源码的实现其实也就不难啦。

构造器

    // 使用默认的容量11
	public PriorityBlockingQueue() {
        this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, null);
    }

	// 指定容量大小
    public PriorityBlockingQueue(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, null);
    }
	
	// 指定容量和比较器
    public PriorityBlockingQueue(int initialCapacity,
                                 Comparator<? super E> comparator) {
        if (initialCapacity < 1)
            throw new IllegalArgumentException();
        this.lock = new ReentrantLock();
        this.notEmpty = lock.newCondition();
        this.comparator = comparator;
        this.queue = new Object[initialCapacity];
    }

    // 传入集合
    public PriorityBlockingQueue(Collection<? extends E> c) {
        this.lock = new ReentrantLock();
        this.notEmpty = lock.newCondition();
        boolean heapify = true; // true if not known to be in heap order
        boolean screen = true;  // true if must screen for nulls
        if (c instanceof SortedSet<?>) {
            SortedSet<? extends E> ss = (SortedSet<? extends E>) c;
            this.comparator = (Comparator<? super E>) ss.comparator();
            heapify = false;
        }
        else if (c instanceof PriorityBlockingQueue<?>) {
            PriorityBlockingQueue<? extends E> pq =
                (PriorityBlockingQueue<? extends E>) c;
            this.comparator = (Comparator<? super E>) pq.comparator();
            screen = false;
            if (pq.getClass() == PriorityBlockingQueue.class) // exact match
                heapify = false;
        }
        Object[] a = c.toArray();
        int n = a.length;
        // If c.toArray incorrectly doesn't return Object[], copy it.
        if (a.getClass() != Object[].class)
            a = Arrays.copyOf(a, n, Object[].class);
        if (screen && (n == 1 || this.comparator != null)) {
            for (int i = 0; i < n; ++i)
                if (a[i] == null)
                    throw new NullPointerException();
        }
        this.queue = a;
        this.size = n;
        // 需要堆化,后面说明该方法
        if (heapify)
            heapify();
    }

接下来我将会把一些核心组件方法都拎出来分析一下,他们很有可能会在后面的操作方法中被频繁调用,所以接下来很重要哦。

扩容方法tryGrow

我们说了,PriorityBlockingQueue是无界的队列,传入的capacity也不是最终的容量,它和我们之前学习的许多集合一样,有动态扩容的机制,我们先来瞅一瞅:

    private void tryGrow(Object[] array, int oldCap) {
        // 释放锁的操作
        lock.unlock(); // must release and then re-acquire main lock
        Object[] newArray = null;
        // CAS 操作将allocationSpinLock变为1, 如果已经是1了,就跳到下面
        if (allocationSpinLock == 0 &&
            UNSAFE.compareAndSwapInt(this, allocationSpinLockOffset,
                                     0, 1)) {
            try {
                // 节点个数<64  new = old + old + 2
                // 节点个数>=64 new = old + old / 2
                int newCap = oldCap + ((oldCap < 64) ?
                                       (oldCap + 2) : // 希望节点数较小的时候,增长快一点
                                       (oldCap >> 1));
                // 扩容之后越界了
                if (newCap - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {    // possible overflow
                    int minCap = oldCap + 1;
                    if (minCap < 0 || minCap > MAX_ARRAY_SIZE)
                        throw new OutOfMemoryError();
                    newCap = MAX_ARRAY_SIZE;
                }
                //queue != array 的情况 其他线程已经为queue分配了其他的空间
                if (newCap > oldCap && queue == array)
                    // 分配一个加大容量的数组
                    newArray = new Object[newCap];
            } finally {
                allocationSpinLock = 0;
            }
        }
        // 可能是其他线程在进行扩容操作
        if (newArray == null) // back off if another thread is allocating
            Thread.yield();
        // 重新获取锁
        lock.lock();
        // 复制元素
        if (newArray != null && queue == array) {
            queue = newArray;
            System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, oldCap);
        }
    }

可以发现的是,在动态扩容之前,将lock释放,表明这个方法一定是在获取锁之后才被调用的。

为啥在扩容之前先释放锁,并使用CAS控制只有一个线程可以扩容成功呢?

扩容是需要时间的,如果在整个扩容期间一直持有锁的话,其他线程在这时是不能进行出队和入队操作的,这大大降低了并发性能。

spinlock锁使用CAS控制只有一个线程可以进行扩容,失败的线程执行Thread.yield()让出CPU,目的是让扩容的线程优先调用lock.lock()优先获取锁,但是这得不到保证,因此需要后面的判断。

另外自旋锁变量allocationSpinLock在扩容结束后重置为0,并没有使用UNSAFE方法的CAS进行设置是因为:

  1. 同时只可能有一个线程获取到该锁。
  2. allocationSpinLock是volatile修饰。

源码中向上调整和向下调整实现

准确地说,源码中应该是调整 + 插入,不断调整,找到插入的位置,给该位置赋值。但,如果你理解了前面的调整思想,相信你会很快理解源码中的实现。

siftUpComparable

将x插入到堆中,注意这里是不断和父节点比较,最终找到插入位置。

// 将x插入到堆中,注意这里是不断和父节点比较,最终找到插入位置
private static <T> void siftUpComparable(int k, T x, Object[] array) {
    // 如果不传入Comparable的实现,这里会强转失败,抛出异常
    Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>) x;
    while (k > 0) {
        //a[k]的父节点位置
        int parent = (k - 1) >>> 1;
        Object e = array[parent];
        // 如果比父节点大就不用交换了
        if (key.compareTo((T) e) >= 0)
            break;
        // 将父元素移下来
        array[k] = e;
        // k向上移
        k = parent;
    }
    // 退出循环后,k的位置就是待插入的位置
    array[k] = key;
}

siftDownComparable

移除k位置的元素,并调整二叉堆,具体思想就是,一般通过向下调整找到覆盖位置,用x覆盖即可,x一般可以从队尾获取。

    // 这里的k就是当前空缺的位置,x就是覆盖元素比如我们之前说的队尾元素
	private static <T> void siftDownComparable(int k, T x, Object[] array,
                                               int n) {
        if (n > 0) {
            Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>)x;
            // 二叉堆有一个性质,最后一层叶子最多 占 1 / 2
            int half = n >>> 1;           // loop while a non-leaf
            // 循环非叶子节点
            while (k < half) {
                // 左孩子
                int child = (k << 1) + 1; // assume left child is least
                Object c = array[child];
                // 右孩子
                int right = child + 1;
                // 始终用左孩子c表示最小的数
                if (right < n &&
                    ((Comparable<? super T>) c).compareTo((T) array[right]) > 0)
                    // 这里如果右孩子小,更新child = right
                    c = array[child = right];
                // 如果当前的k比左孩子还要小,那就不必交换了,待在那正好!
                if (key.compareTo((T) c) <= 0)
                    break;
                // 小的数向上移,k向下更新
                array[k] = c;
                k = child;
            }
            // 退出循环时,一定找到了x覆盖的位置,覆盖即可
            array[k] = key;
        }
    }

你看看,理解了调整的思想之后,看起代码来是不是就相对轻松很多啦?

heapify建堆or堆化

heapify方法可以使节点任意放置的二叉树,在O(N)的时间复杂度内转变为二叉堆,具体做法是,从最后一层非叶子节点自底向上执行down操作

    private void heapify() {
        Object[] array = queue;
        int n = size;
        int half = (n >>> 1) - 1; // 最后一层非叶子层
        // 两种排序规则下, 自底向上 地执行 siftdown操作
        Comparator<? super E> cmp = comparator;
        if (cmp == null) {
            for (int i = half; i >= 0; i--)
                siftDownComparable(i, (E) array[i], array, n);
        }
        else {
            for (int i = half; i >= 0; i--)
                siftDownUsingComparator(i, (E) array[i], array, n, cmp);
        }
    }

put非阻塞式插入

put方法是非阻塞的,但是操作时需要获取独占锁,如果插入元素后超过了当前的容量,会调用tryGrow进行动态扩容,接着从插入元素位置进行向上调整,插入成功后,唤醒正在阻塞的读线程。

    public void put(E e) {
        offer(e); // 无界队列,插入操作不需要阻塞哦
    }

    public boolean offer(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        int n, cap;
        Object[] array;
        // 当前队列中的元素个数 >= 数组的容量
        while ((n = size) >= (cap = (array = queue).length))
            // 动态扩容
            tryGrow(array, cap);
        try {
            Comparator<? super E> cmp = comparator;
            // 下面这个if else根据是否传入比较器选择对应的方法,大差不差
            if (cmp == null)
                siftUpComparable(n, e, array);
            else
                siftUpUsingComparator(n, e, array, cmp);
            size = n + 1;
            // 唤醒正在阻塞的读线程
            notEmpty.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        return true;
    }

take阻塞式获取

take方法是阻塞式的,如果队列为空,则当前线程阻塞在notEmpty维护的条件队列中。

    public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 获取锁
        lock.lockInterruptibly();
        E result;
        try {
            // 出队
            while ( (result = dequeue()) == null)
                notEmpty.await();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        return result;
    }

	// 出队逻辑
    private E dequeue() {
        int n = size - 1;
        if (n < 0)
            return null;
        else {
            Object[] array = queue;
            // 保存队头的值,也就是返回这个值
            E result = (E) array[0];
            // 准备将队尾的值 覆盖第一个
            E x = (E) array[n];
            array[n] = null;
            Comparator<? super E> cmp = comparator;
            if (cmp == null)
                siftDownComparable(0, x, array, n);
            else
                siftDownUsingComparator(0, x, array, n, cmp);
            size = n;
            return result;
        }
    }

remove移除指定元素

    public boolean remove(Object o) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            // 找到匹配元素下标
            int i = indexOf(o);
            if (i == -1)
                return false;
            // 移除该下标的元素
            removeAt(i);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
	// 遍历底层数组, 找到匹配元素的下标
    private int indexOf(Object o) {
        if (o != null) {
            Object[] array = queue;
            int n = size;
            for (int i = 0; i < n; i++)
                if (o.equals(array[i]))
                    return i;
        }
        return -1;
    }

	// 移除下标为i的元素
    private void removeAt(int i) {
        Object[] array = queue;
        int n = size - 1;
        if (n == i) // removed last element
            array[i] = null;
        else {
            // 老套路了,让队尾的元素覆盖这里
            E moved = (E) array[n];
            array[n] = null;
            Comparator<? super E> cmp = comparator;
            // 向下调整
            if (cmp == null)
                siftDownComparable(i, moved, array, n);
            else
                siftDownUsingComparator(i, moved, array, n, cmp);
            // 向下调整没成功,向上调整
            if (array[i] == moved) {
                if (cmp == null)
                    siftUpComparable(i, moved, array);
                else
                    siftUpUsingComparator(i, moved, array, cmp);
            }
            // 这也是惯用做法,上下分别做一次调整
        }
        size = n;
    }

总结

PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界阻塞队列,基于数组的二叉堆,其实就是线程安全的PriorityQueue

内部使用一个独占锁来同时控制只有一个线程执行入队和出队操作,只是用notEmpty条件变量来控制读线程的阻塞,因为无界队列中入队操作是不会阻塞的。

指定排序规则有两种方式:

  1. 传入PriorityBlockingQueue中的元素实现Comparable接口,自定义compareTo方法。
  2. 初始化PriorityBlockingQueue时,指定构造参数Comparator,自定义compare方法来对元素进行排序。

底层数组是可动态扩容的:先释放锁,保证扩容操作和读操作可以同时进行,提高吞吐量,接着通过CAS自旋保证扩容操作的并发安全,如果原容量为old_c,扩容后容量为new_c,满足:

if (old_c < 64) 
    new_c = 2 * old_c + 2
else 
    new_c = 1.5 * old_c

heapify方法可以使节点任意放置的二叉树,在O(N)的时间复杂度内转变为二叉堆,具体做法是,从最后一层非叶子节点自底向上执行down操作

参考阅读

C指针的这些使用技巧,掌握后立刻提升一个Level

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路人甲

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