数据结构与算法之美09 | 队列:队列在线程池等有限资源池中的应用

  |   0 评论   |   333 浏览

09 | 队列:队列在线程池等有限资源池中的应用

1jpg

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?

实际上,这些问题并不复杂,其底层的数据结构就是我们今天要学的内容,队列(queue)。

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()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。

2jpg

所以,队列跟栈一样,也是一种操作受限的线性表数据结构

队列的概念很好理解,基本操作也很容易掌握。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。

顺序队列和链式队列

我们知道了,队列跟栈一样,也是一种抽象的数据结构。它具有先进先出的特性,支持在队尾插入元素,在队头删除元素,那究竟该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

我们先来看下基于数组的实现方法。我用Java语言实现了一下,不过并不包含Java语言的高级语法,而且我做了比较详细的注释,你应该可以看懂。

// 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;
    // 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
    String ret = items[head];
    ++head;
    return ret;
  }
}

比起栈的数组实现,队列的数组实现稍微有点儿复杂,但是没关系。我稍微解释一下实现思路,你很容易就能明白了。

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。

你可以结合下面这幅图来理解。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。

3jpg

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。

4jpg

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?

你是否还记得,在数组那一节,我们也遇到过类似的问题,就是数组的删除操作会导致数组中的数据不连续。你还记得我们当时是怎么解决的吗?对,用数据搬移!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。

5jpg

这种实现思路中,出队操作的时间复杂度仍然是O(1),但入队操作的时间复杂度还是O(1)吗?你可以用我们第3节、第4节讲的算法复杂度分析方法,自己试着分析一下。

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。我将具体的代码放到Github上,你可以自己试着实现一下,然后再去Github上跟我实现的代码对比下,看写得对不对。

6jpg

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。我画了一张图,你可以直观地感受一下。

7jpg

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:

8jpg

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

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。

9jpg

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。

Talk is cheap,如果还是没怎么理解,那就show you code吧。

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;
  }
}

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。

10jpg

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”。

11jpg

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

  1. 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?

  2. 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?


技术改变人生 Q群:702101215 程序之家3群

程序之家3群

爱学习:www.aixx123.com
IT资源网:www.pplsunny.top


技术改变人生 Q群:702101215 程序之家3群
IT资源网:www.pplsunny.top
程序之家5群:757629668

评论