死磕 java集合之PriorityBlockingQueue源碼分析

時間 2019-11-13

標籤 java 集合 priorityblockingqueue 源碼分析欄目 Java 简体版

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問題

（1）PriorityBlockingQueue的實現方式？java

（2）PriorityBlockingQueue是否須要擴容？面試

（3）PriorityBlockingQueue是怎麼控制併發安全的？數組

簡介

PriorityBlockingQueue是java併發包下的優先級阻塞隊列，它是線程安全的，若是讓你來實現你會怎麼實現它呢？安全

還記得咱們前面介紹過的PriorityQueue嗎？點擊連接直達【死磕 java集合之PriorityQueue源碼分析】併發

還記得優先級隊列通常使用什麼來實現嗎？點擊連接直達【拜託，面試別再問我堆（排序）了！】oop

源碼分析

主要屬性

// 默認容量爲11
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11;
// 最大數組大小
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
// 存儲元素的地方
private transient Object[] queue;
// 元素個數
private transient int size;
// 比較器
private transient Comparator<? super E> comparator;
// 重入鎖
private final ReentrantLock lock;
// 非空條件
private final Condition notEmpty;
// 擴容的時候使用的控制變量，CAS更新這個值，誰更新成功了誰擴容，其它線程讓出CPU
private transient volatile int allocationSpinLock;
// 不阻塞的優先級隊列，非存儲元素的地方，僅用於序列化/反序列化時
private PriorityQueue<E> q;

（1）依然是使用一個數組來使用元素；源碼分析

（2）使用一個鎖加一個notEmpty條件來保證併發安全；ui

（3）使用一個變量的CAS操做來控制擴容；this

爲啥沒有notFull條件呢？線程

主要構造方法

// 默認容量爲11
public PriorityBlockingQueue() {
    this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, null);
}
// 傳入初始容量
public PriorityBlockingQueue(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, null);
}
// 傳入初始容量和比較器
// 初始化各變量
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];
}

入隊

每一個阻塞隊列都有四個方法，咱們這裏只分析一個offer(E e)方法：

public boolean offer(E e) {
    // 元素不能爲空
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加鎖
    lock.lock();
    int n, cap;
    Object[] array;
    // 判斷是否須要擴容，即元素個數達到了數組容量
    while ((n = size) >= (cap = (array = queue).length))
        tryGrow(array, cap);
    try {
        Comparator<? super E> cmp = comparator;
        // 根據是否有比較器選擇不一樣的方法
        if (cmp == null)
            siftUpComparable(n, e, array);
        else
            siftUpUsingComparator(n, e, array, cmp);
        // 插入元素完畢，元素個數加1            
        size = n + 1;
        // 喚醒notEmpty條件
        notEmpty.signal();
    } finally {
        // 解鎖
        lock.unlock();
    }
    return true;
}

private static <T> void siftUpComparable(int k, T x, Object[] array) {
    Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>) x;
    while (k > 0) {
        // 取父節點
        int parent = (k - 1) >>> 1;
        // 父節點的元素值
        Object e = array[parent];
        // 若是key大於父節點，堆化結束
        if (key.compareTo((T) e) >= 0)
            break;
        // 不然，交換兩者的位置，繼續下一輪比較
        array[k] = e;
        k = parent;
    }
    // 找到了應該放的位置，放入元素
    array[k] = key;
}

入隊的整個操做跟PriorityQueue幾乎一致：

（1）加鎖；

（2）判斷是否須要擴容；

（3）添加元素並作自下而上的堆化；

（4）元素個數加1並喚醒notEmpty條件，喚醒取元素的線程；

（5）解鎖；

擴容

private void tryGrow(Object[] array, int oldCap) {
    // 先釋放鎖，由於是從offer()方法的鎖內部過來的
    // 這裏先釋放鎖，使用allocationSpinLock變量控制擴容的過程
    // 防止阻塞的線程過多
    lock.unlock(); // must release and then re-acquire main lock
    Object[] newArray = null;
    // CAS更新allocationSpinLock變量爲1的線程得到擴容資格
    if (allocationSpinLock == 0 &&
        UNSAFE.compareAndSwapInt(this, allocationSpinLockOffset,
                                 0, 1)) {
        try {
            // 舊容量小於64則翻倍，舊容量大於64則增長一半
            int newCap = oldCap + ((oldCap < 64) ?
                                   (oldCap + 2) : // grow faster if small
                                   (oldCap >> 1));
            // 判斷新容量是否溢出
            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;
            }
            // 建立新數組
            if (newCap > oldCap && queue == array)
                newArray = new Object[newCap];
        } finally {
            // 至關於解鎖
            allocationSpinLock = 0;
        }
    }
    // 只有進入了上面條件的纔會知足這個條件
    // 意思是讓其它線程讓出CPU
    if (newArray == null) // back off if another thread is allocating
        Thread.yield();
    // 再次加鎖
    lock.lock();
    // 判斷新數組建立成功而且舊數組沒有被替換過
    if (newArray != null && queue == array) {
        // 隊列賦值爲新數組
        queue = newArray;
        // 並拷貝舊數組元素到新數組中
        System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, oldCap);
    }
}

（1）解鎖，解除offer()方法中加的鎖；

（2）使用allocationSpinLock變量的CAS操做來控制擴容的過程；

（3）舊容量小於64則翻倍，舊容量大於64則增長一半；

（4）建立新數組；

（5）修改allocationSpinLock爲0，至關於解鎖；

（6）其它線程在擴容的過程當中要讓出CPU；

（7）再次加鎖；

（8）新數組建立成功，把舊數組元素拷貝過來，並返回到offer()方法中繼續添加元素操做；

出隊

阻塞隊列的出隊方法也有四個，咱們這裏只分析一個take()方法：

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加鎖
    lock.lockInterruptibly();
    E result;
    try {
        // 隊列沒有元素，就阻塞在notEmpty條件上
        // 出隊成功，就跳出這個循環
        while ( (result = dequeue()) == null)
            notEmpty.await();
    } finally {
        // 解鎖
        lock.unlock();
    }
    // 返回出隊的元素
    return result;
}

private E dequeue() {
    // 元素個數減1
    int n = size - 1;
    if (n < 0)
        // 數組元素不足，返回null
        return null;
    else {
        Object[] array = queue;
        // 彈出堆頂元素
        E result = (E) array[0];
        // 把堆尾元素拿到堆頂
        E x = (E) array[n];
        array[n] = null;
        Comparator<? super E> cmp = comparator;
        // 並作自上而下的堆化
        if (cmp == null)
            siftDownComparable(0, x, array, n);
        else
            siftDownUsingComparator(0, x, array, n, cmp);
        // 修改size
        size = n;
        // 返回出隊的元素
        return result;
    }
}

private static <T> void siftDownComparable(int k, T x, Object[] array,
                                           int n) {
    if (n > 0) {
        Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>)x;
        int half = n >>> 1;           // loop while a non-leaf
        // 只須要遍歷到葉子節點就夠了
        while (k < half) {
            // 左子節點
            int child = (k << 1) + 1; // assume left child is least
            // 左子節點的值
            Object c = array[child];
            // 右子節點
            int right = child + 1;
            // 取左右子節點中最小的值
            if (right < n &&
                ((Comparable<? super T>) c).compareTo((T) array[right]) > 0)
                c = array[child = right];
            // key若是比左右子節點都小，則堆化結束
            if (key.compareTo((T) c) <= 0)
                break;
            // 不然，交換key與左右子節點中最小的節點的位置
            array[k] = c;
            k = child;
        }
        // 找到了放元素的位置，放置元素
        array[k] = key;
    }
}

出隊的過程與PriorityQueue基本相似：

（1）加鎖；

（2）判斷是否出隊成功，未成功就阻塞在notEmpty條件上；

（3）出隊時彈出堆頂元素，並把堆尾元素拿到堆頂；

（4）再作自上而下的堆化；

（5）解鎖；