09 | 队列：队列在线程池等有限资源池中的应用

一、问题引出今天的内容

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？

二、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”。
队列跟栈一样，也是一种操作受限的线性表数据结构。
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。

2.1、特殊的队列及应用场景

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。

三、顺序队列和链式队列

3.1、概念

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。

3.2、顺序队列

3.2.1、代码实现

//用数组实现队列
public class ArrayQueueDemo {
    //队列大小
    int n =0;
    //当前队列的大小  ====这里可以直接用尾部索引即可。
//    int counn;
    
    //数组
    String [] s ;
    //队列尾部索引
    int we =0;
    //队列头部索引
    int head =0;
    
    //初始化队列
    public void init(int count){
        s = new String[n];
        n = count;
    }
    
    //从队列添加数据
    public boolean insert(String mem){
        //如果当前大小等于初始化队列大小说明队列已满
        if(n==head)return false;
        
        s[we] = mem;
        we++;
        return true;
    }
    
    //从队列删除数据
    public String dele(){
        //如果尾部索引等于开头索引，说明该队列为空
        if(we == head) return null;
       String res =  s[head];
        ++head;
       
        return res;
    }
    
}

自己的实现

public class Test {
    String[] str;
    int n; //总个数

    int head = 0;//头指针
    int tail = 0;//尾指针

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        test.init(8);
        boolean a = test.pop("a");

        test.dequeue();
        test.pop("b");
        test.dequeue();
        test.pop("c");
        test.dequeue();
        test.pop("d");
        test.pop("e");
        test.pop("f");
        test.pop("g");
        test.pop("h");
        test.pop("i");


    }

    //初始化
    public void init(int n) {
        str = new String[n];
        this.n = n;
    }

    //入队
    public boolean pop(String data) {


        if (tail == n) {
            if (head == 0) {
                return false;
            }
            //数组进行搬移
            for (int i = head; i < tail; i++) {
                str[i - head] = str[i];
            }

            tail -= head;
            head = 0;

//            tail = tail - head;
//            str[++tail] = data;  //数据添加（入队）可以统一进行操作
//            return true;
        }

        str[tail] = data;
        tail++;
        return true;
    }

//    //出队   自己的实现，这个多了一步 n-count的计算，增加了cpu的负担。而且不太好理解
//    public String out() {
//        String data = null;
//        if (count > 0) {
//            data = str[n - count];
//            count--;
//        }
//        return data;
//    }


    // 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 = str[head];
        ++head;
        return ret;
    }

}

3.2.2、发现一个问题

head指针和we指针**同时往后移动，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？这样会导致数组前面的空间会被浪费。如果每次出队操作后，进行一次数据搬移，这样的时间复杂度就是O（n）。

3.3.3、解决办法及代码实现

在入队操作中修改，在入队满了之后，才进行一次整体的数据搬移。可以进行均摊分析法，分析一下这种情况下的时间复杂度。

  //从队列添加数据
    public boolean insert(String mem){
        //如果当前大小等于初始化队列大小说明队列已满
        if(n==head){
            //保证该队列是有空闲位置的
            if(head!=0){
                for (int i = head; i <we; i++) {
                    s[i-head]=s[i];
                }
                //更新head和we
                we -= head;
                head =0;
            }
        }



        s[we] = mem;
        we++;
        return true;
    }

3.4、链式队列

3.4.1、实现思路描述

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。

3.4.2、代码实现

1、着重考虑开始第一个节点时存的过程。（入队过程）
2、还有head节点和tail节点相重合时的过程。（出队过程）

package com.stack;

public class Test {

    Node head;
    Node tail;

    public static void main(String[] args) {

    }

    //从头部取数
    public String out() {
        if(head==null)return null;
        
        String data = head.getData();
        head = head.next;
        if (head == null) {
            //出队的时候，剩余最后一个时，需要将tail指针指向正确的null
            tail = null;//为入队做准备。不然tail的暂时值是最后一个节点
        }
        return data;
    }

    //从尾部插入
    public boolean pop(String data) {
        Node newnode = new Node();
        newnode.setData(data);

        if (head == null) {
            head = newnode;
            tail = newnode;
        } else {
            tail.next = newnode;
            tail = tail.next;
        }
        return true;
    }


    static class Node {
        String data;
        Node next;

        public String getData() {
            return data;
        }

        public void setData(String data) {
            this.data = data;
        }

        public Node getNext() {
            return next;
        }

        public void setNext(Node next) {
            this.next = next;
        }
    }

}

四、循环队列——解决避免数据搬移问题（顺序队列）

4.1、实现思路分析

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。循环（形成环形）的关键是，对数进行取余。

4.2、实现循环队列的关键点

确定好队空和队满的判定条件

队空的条件是：tail == head
队满的条件是：(tail+1)%n == head

4.3、代码实现如下：

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;
  }
}

五、阻塞队列和并发队列——实际开发中的经常应用

5.1、阻塞队列

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。

5.2、并发队列

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。

六、解答开篇问题

6.1、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？

6.1.1、非阻塞——处理方式

直接拒绝任务请求

6.1.2、阻塞——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？我们希望公平处理，由于是先进先出的特征，所以选择队列这种数据结构。

6.1.2.1、基于链表的实现方式——无界队列

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。

6.1.2.2、基于数组的实现方式——有界队列

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。

七、总结

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。例如：数据库连接池

八、课后题

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？
答：2、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。