Java 併發隊列原理剖析
來源:https://github.com/afkbrb/java-concurrency-note
LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue 比較簡單,不進行講解了。下面只介紹 PriorityBlockingQueue 和 DelayQueue。
PriorityBlockingQueue
PriorityBlockingQueue 是帶優先級的無界阻塞隊列,每次出隊都返回優先級最高或最低的元素。內部使用二叉堆實現。
類圖結構
PriorityBlockingQueue 內部有一個數組 queue,用來存放隊列元素。allocationSpinLock 是個自旋鎖,通過 CAS 操作來保證同時只有一個線程可以擴容隊列,狀態爲 0 或 1。
由於這是一個優先隊列,所以有一個 comparator 用來比較元素大小。
下面爲構造函數:
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11;
public PriorityBlockingQueue() {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, null);
}
public PriorityBlockingQueue(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, null);
}
可知默認隊列容量爲 11,默認比較器爲 null,也就是使用元素的 compareTo 方法進行比較來確定元素的優先級,這意味着隊列元素必須實現 Comparable 接口。
原理講解
boolean offer()
public boolean offer(E e) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
// 獲取獨佔鎖
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
int n, cap;
Object[] array;
// 擴容
while ((n = size) >= (cap = (array = queue).length))
tryGrow(array, cap);
try {
Comparator<? super E> cmp = comparator;
if (cmp == null)
// 通過對二叉堆的上浮操作保證最大或最小的元素總在根節點
siftUpComparable(n, e, array);
else
// 使用了自定義比較器
siftUpUsingComparator(n, e, array, cmp);
size = n + 1;
// 激活因調用take()方法被阻塞的線程
notEmpty.signal();
} finally {
// 釋放鎖
lock.unlock();
}
return true;
}
流程比較簡單,下面主要看擴容和建堆操作。
先看擴容。
private void tryGrow(Object[] array, int oldCap) {
// 由前面的代碼可知,調用tryGrow函數前先獲取了獨佔鎖,
// 由於擴容比較費時,此處先釋放鎖,
// 讓其他線程可以繼續操作(如果滿足可操作的條件的話),
// 以提升併發性能
lock.unlock();
Object[] newArray = null;
// 通過allocationSpinLock保證同時最多隻有一個線程進行擴容操作。
if (allocationSpinLock == 0 &&
UNSAFE.compareAndSwapInt(this, allocationSpinLockOffset,0, 1)) {
try {
// 當容量比較小時,一次只增加2容量
// 比較大時增加一倍
int newCap = oldCap + ((oldCap < 64) ?(oldCap + 2) : (oldCap >> 1));
// 溢出檢測
if (newCap - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
int minCap = oldCap + 1;
if (minCap < 0 || minCap > MAX_ARRAY_SIZE)
throw new OutOfMemoryError();
newCap = MAX_ARRAY_SIZE;
}
if (newCap > oldCap && queue == array)
newArray = new Object[newCap];
} finally {
// 釋放鎖,沒用CAS是因爲同時最多有一個線程操作allocationSpinLock
allocationSpinLock = 0;
}
}
// 如果當前線程發現有其他線程正在對隊列進行擴容,
// 則調用yield方法嘗試讓出CPU資源促使擴容操作儘快完成
if (newArray == null)
Thread.yield();
lock.lock();
if (newArray != null && queue == array) {
queue = newArray;
System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, oldCap);
}
}
下面來看建堆算法
private static <T> void siftUpComparable(int k, T x, Object[] array) {
Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>) x;
while (k > 0) {
// 獲取父節點,設子節點索引爲k,
// 則由二叉堆的性質可知,父節點的索引總爲(k - 1) >>> 1
int parent = (k - 1) >>> 1;
// 獲取父節點對應的值
Object e = array[parent];
// 只有子節點的值小於父節點的值時才上浮
if (key.compareTo((T) e) >= 0)
break;
array[k] = e;
k = parent;
}
array[k] = key;
}
如果瞭解二叉堆的話,此處代碼是十分容易理解的。關於二叉堆,可參看《數據結構之二叉堆》。
E poll()
public E poll() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
// 出隊
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
private E dequeue() {
int n = size - 1;
if (n < 0)
return null;
else {
Object[] array = queue;
E result = (E) array[0];
// 獲取尾節點,在實現對二叉堆的下沉操作時要用到
E x = (E) array[n];
array[n] = null;
Comparator<? super E> cmp = comparator;
if (cmp == null)
// 下沉操作,保證取走最小的節點(根節點)後,新的根節點仍時最小的,二叉堆的性質依然滿足
siftDownComparable(0, x, array, n);
else
// 使用自定義比較器
siftDownUsingComparator(0, x, array, n, cmp);
size = n;
return result;
}
}
poll 方法通過調用 dequeue 方法使最大或最小的節點出隊並將其返回。
下面來看二叉堆的下沉操作。
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;
while (k < half) {
// child爲兩個子節點(如果有的話)中較小的那個對應的索引
int child = (k << 1) + 1;
Object c = array[child];
int right = child + 1;
// 通過比較保證child對應的爲較小值的索引
if (right < n &&
((Comparable<? super T>) c).compareTo((T) array[right]) > 0)
c = array[child = right];
if (key.compareTo((T) c) <= 0)
break;
// 下沉,將較小的子節點換到父節點位置
array[k] = c;
k = child;
}
array[k] = key;
}
}
同上,對下沉操作有疑問的話可參考上述文章。
void put(E e)
調用了 offer
public void put(E e){
offer(e);
}
E take()
take 操作的作用是獲取二叉堆的根節點元素,如果隊列爲空則阻塞。
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 阻塞可被中斷
lock.lockInterruptibly();
E result;
try {
// 隊列爲空就將當前線程放入notEmpty條件隊列
// 使用while循環判斷是爲了避免虛假喚醒
while ( (result = dequeue()) == null)
notEmpty.await();
} finally {
lock.unlock();
}
return result;
}
DelayQueue
DelayQueue 併發隊列是一個無界阻塞延遲隊列,隊列中的每一個元素都有一個過期時間,當從隊列中獲取元素時只有過期元素纔會出列。隊列頭元素是最快要過期的元素。
類圖結構
DelayQueue 內部使用 PriorityQueue 存放數據,使用 ReentrantLock 實現線程同步。
隊列裏的元素要實現 Delayed 接口(Delayed 接口繼承了 Comparable 接口),用以得到過期時間並進行過期時間的比較。
public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
long getDelay(TimeUnit unit);
}
available 是由 lock 生成的條件變量,用以實現線程間的同步。
leader 是 leader-follower 模式的變體,用於減少不必要的線程等待。當一個線程調用隊列的 take 方法變爲 leader 線程後,它會調用條件變量 available.waitNanos(delay) 等待 delay 時間,但是其他線程(follower)則會調用 available.await() 進行無限等待。leader 線程延遲時間過期後,會退出 take 方法,並通過調用 available.signal() 方法喚醒一個 follower 線程,被喚醒的線程會被選舉爲新的 leader 線程。
原理講解
boolean offer(E e)
public boolean offer(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
// 添加新元素
q.offer(e);
// 查看新添加的元素是否爲最先過期的
if (q.peek() == e) {
leader = null;
available.signal();
}
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
上述代碼首先獲取獨佔鎖,然後添加元素到優先級隊列,由於 q 是優先級隊列,所以添加元素後,調用 q.peek() 方法返回的並不一定是當前添加的元素。當如果 q.peek() == e,說明當前元素是最先要過期的,那麼重置 leader 線程爲 null 並激活 available 條件隊列裏的一個線程,告訴它隊列裏面有元素了。
E take()
獲取並移除隊列裏面過期的元素,如果隊列裏面沒有過期元素則等待。
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 可中斷
lock.lockInterruptibly();
try {
for (;;) {
E first = q.peek();
// 爲空則等待
if (first == null)
available.await();
else {
long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
// 過期則成功獲取
if (delay <= 0)
return q.poll();
// 執行到此處,說明頭元素未過期
first = null; // don't retain ref while waiting
// follower無限等待,直到被喚醒
if (leader != null)
available.await();
else {
Thread thisThread = Thread.currentThread();
leader = thisThread;
try {
// leader等待lelay時間,則頭元素必定已經過期
available.awaitNanos(delay);
} finally {
// 重置leader,給follower稱爲leader的機會
if (leader == thisThread)
leader = null;
}
}
}
}
} finally {
if (leader == null && q.peek() != null)
// 喚醒一個follower線程
available.signal();
lock.unlock();
}
}
一個線程調用 take 方法時,會首先查看頭元素是否爲空,爲空則直接等待,否則判斷是否過期。
若頭元素已經過期,則直接通過 poll 獲取並移除,否則判斷是否有 leader 線程。
若有 leader 線程則一直等待,否則自己成爲 leader 並等待頭元素過期。
E poll()
獲取並移除頭過期元素,如果沒有過期元素則返回 null。
public E poll() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
E first = q.peek();
// 若隊列爲空或沒有元素過期則直接返回null
if (first == null || first.getDelay(NANOSECONDS) > 0)
return null;
else
return q.poll();
} finally {
lock.unlock();
}
}
int size()
計算隊列元素個數,包含過期的和未過期的。
public int size() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
return q.size();
} finally {
lock.unlock();
}
}
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