由线程池到队列

CPU资源是有限的，任务的处理速度与线程个数并不是线性相关的。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？

队列

特点 : 先进先出

操作： 入队 enqueue（），放一个数据到队列尾部。
出队 dequeue（） , 从队列头部去一个元素。

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顺序队列和链式队列

队列是抽象的数据结构，特性是先入先出。

我们可以用数组和链表来实现队列。用数组实现的是顺序队列，用链表实现的是链表队列。
顺序队列

  2. // 用数组实现的队列
  3. public class ArrayQueue {
  4.   // 数组：items，数组大小：n
  5.   private String[] items;
  6.   private int n = 0;
  7.   // head表示队头下标，tail表示队尾下标
  8.   private int head = 0;
  9.   private int tail = 0;
  11.   // 申请一个大小为capacity的数组
  12.   public ArrayQueue(int capacity) {
  13.     items = new String[capacity];
  14.     n = capacity;
  15.   }
  16.    // 入队操作，将item放入队尾
  17.   public boolean enqueue(String item) {
  18.     // tail == n表示队列末尾没有空间了
  19.     if (tail == n) {
  20.       // tail ==n && head==0，表示整个队列都占满了
  21.       if (head == 0) return false;
  22.       // 数据搬移
  23.       for (int i = head; i < tail; ++i) {
  24.         items[i-head] = items[i];
  25.       }
  26.       // 搬移完之后重新更新head和tail
  27.       tail -= head;
  28.       head = 0;
  29.     }
  30.     items[tail] = item;
  31.     ++tail;
  32.     return true;
  33.   }
  35.   // 出队
  36.   public String dequeue() {
  37.     // 如果head == tail 表示队列为空
  38.     if (head == tail) return null;
  39.     // 为了让其他语言的同学看的更加明确，把--操作放到单独一行来写了
  40.     String ret = items[head];
  41.     ++head;
  42.     return ret;
  43.   }
  44. }

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。
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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。
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你肯定已经发现了，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？

该问题是因为数组的删除操作导致数组中数据不连续。解决问题的方法就是数据迁移。当tail指针到达尾部时，此时如果head不为0，证明此时数组还有剩余的空间来存储元素。此时可以将所有元素往前移动head位。
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。

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出队操作的时间复杂度 ：O(1)

入队操作的时间复杂度 ：最好情况 :o(1) 最坏情况tail到达尾部 需要数据迁移 ，O（tail-head） ==O（n）

链式队列

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。

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循环队列

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。我画了一张图，你可以直观地感受一下。

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入队操作：
我们可以发现，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：

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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，我个人觉得，最关键的是，确定好队空和队满的判定条件。

队空：head=tail
队满： （tail+1）% n =head
入队操作指针移动：tail = (tail + 1) % n;
出队操作指针移动：head=（head+1）%n；

代码实现：

  2. public class CircularQueue {
  3.   // 数组：items，数组大小：n
  4.   private String[] items;
  5.   private int n = 0;
  6.   // head表示队头下标，tail表示队尾下标
  7.   private int head = 0;
  8.   private int tail = 0;
  10.   // 申请一个大小为capacity的数组
  11.   public CircularQueue(int capacity) {
  12.     items = new String[capacity];
  13.     n = capacity;
  14.   }
  16.   // 入队
  17.   public boolean enqueue(String item) {
  18.     // 队列满了
  19.     if ((tail + 1) % n == head) return false;
  20.     items[tail] = item;
  21.     tail = (tail + 1) % n;
  22.     return true;
  23.   }
  25.   // 出队
  26.   public String dequeue() {
  27.     // 如果head == tail 表示队列为空
  28.     if (head == tail) return null;
  29.     String ret = items[head];
  30.     head = (head + 1) % n;
  31.     return ret;
  32.   }
  33. }

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的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。

生产者-消费者模型
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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。
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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。

队列在线程池上的应用

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。

课后思考

  • 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？
  1.   1.AQS队列同步器，在设计时维护了一个虚拟的双向队列，来保证多线程的竞争时竞争不到时的阻塞。
  • 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？

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。