詳解Java并發(fā)編程中的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列PriorityBlockingQueue

更新時(shí)間：2023年05月05日 09:52:48 作者：juer

PriorityBlockingQueue是Java中實(shí)現(xiàn)了堆數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的線程安全的有界阻塞隊(duì)列。本文將會(huì)深入解讀PriorityBlockingQueue的源碼實(shí)現(xiàn)，感興趣的可以了解一下

PriorityBlockingQueue是Java中實(shí)現(xiàn)了堆數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的線程安全的有界阻塞隊(duì)列。它可以在多線程場景下安全地進(jìn)行元素添加、刪除和獲取操作，而且可以根據(jù)元素的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序。本篇博客將會(huì)深入解讀PriorityBlockingQueue的源碼實(shí)現(xiàn)。

一、PriorityBlockingQueue概述

PriorityBlockingQueue類實(shí)現(xiàn)了BlockingQueue接口，它是一個(gè)線程安全的隊(duì)列，繼承自AbstractQueue類，而AbstractQueue類又實(shí)現(xiàn)了Queue接口。PriorityBlockingQueue是一個(gè)有界的隊(duì)列，其容量可以在構(gòu)造函數(shù)中進(jìn)行指定，若不指定則默認(rèn)大小為Integer.MAX_VALUE。同時(shí)，PriorityBlockingQueue也支持根據(jù)元素的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，這是由于PriorityBlockingQueue內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一個(gè)堆數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

二、PriorityBlockingQueue源碼解析

1.容器

PriorityBlockingQueue內(nèi)部使用了一個(gè)Object類型的數(shù)組queue來存儲(chǔ)元素，同時(shí)使用了一個(gè)int類型的變量size來記錄元素的數(shù)量。下面是PriorityBlockingQueue類中的定義：

private transient Object[] queue;
private transient int size;

2.比較器

PriorityBlockingQueue可以根據(jù)元素的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，這是由于PriorityBlockingQueue內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)小根堆或大根堆。在構(gòu)造函數(shù)中，我們可以選擇使用元素自身的比較方式或是自定義比較器來進(jìn)行元素的排序。若未指定比較器，則PriorityBlockingQueue將使用元素自身的比較方式進(jìn)行排序。

private final Comparator<? super E> comparator;

3.構(gòu)造函數(shù)

PriorityBlockingQueue提供了多個(gè)構(gòu)造函數(shù)，我們可以選擇使用無參構(gòu)造函數(shù)來創(chuàng)建一個(gè)默認(rèn)容量為Integer.MAX_VALUE的PriorityBlockingQueue，或是使用帶有初始容量或自定義比較器的構(gòu)造函數(shù)。下面是PriorityBlockingQueue類的兩個(gè)構(gòu)造函數(shù)：

public PriorityBlockingQueue() {
    this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, null);
}
public PriorityBlockingQueue(int initialCapacity, Comparator<? super E> comparator) {
    if (initialCapacity < 1)
        throw new IllegalArgumentException();
    this.queue = new Object[initialCapacity];
    this.comparator = comparator;
}

4.添加元素

PriorityBlockingQueue中添加元素的方法為offer()方法，它會(huì)首先檢查容量是否足夠，如果容量不足則會(huì)進(jìn)行擴(kuò)容操作，擴(kuò)容的方式是將原數(shù)組長度增加一半。接著，它會(huì)將新元素添加到隊(duì)列的末尾，并通過siftUp()方法將元素上濾到合適的位置，以維護(hù)堆的性質(zhì)。

public boolean offer(E e) {
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    int n, cap;
    Object[] array;
    while ((n = size) >= (cap = (array = queue).length))
        tryGrow(array, cap);
    try {
        Comparator<? super E> cmp = comparator; 
        if (n == 0) { array[0] = e; } 
        else { siftUp(n, e, array, cmp); } 
        size = n + 1; notEmpty.signal(); 
    } finally { 
        lock.unlock(); 
    } 
    return true; 
}

5.獲取元素

PriorityBlockingQueue中獲取元素的方法為take()方法，它會(huì)首先檢查隊(duì)列是否為空，如果隊(duì)列為空則會(huì)將當(dāng)前線程阻塞，直到有元素被添加到隊(duì)列中。接著，它會(huì)獲取隊(duì)列的頭部元素，并通過siftDown()方法將隊(duì)列的末尾元素移動(dòng)到頭部，以維護(hù)堆的性質(zhì)。

public E take() throws InterruptedException { 
    final ReentrantLock lock = this.lock; 
    lock.lockInterruptibly(); 
    E result; 
    try { 
        while (size == 0) notEmpty.await(); 
        result = extract(); 
    } finally {
        lock.unlock(); 
    } 
    return result; 
}
private E extract() { 
    final Object[] array = queue; 
    final E result = (E) array[0]; 
    final int n = --size; 
    final E x = (E) array[n]; 
    array[n] = null; 
    if (n != 0) 
    siftDown(0, x, array, comparator); 
    return result; 
}

6.維護(hù)堆性質(zhì)

PriorityBlockingQueue使用小根堆或大根堆來維護(hù)元素的優(yōu)先級(jí)，這里我們以小根堆為例。小根堆的特點(diǎn)是父節(jié)點(diǎn)的值小于等于左右子節(jié)點(diǎn)的值，PriorityBlockingQueue中的堆是通過數(shù)組來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)添加元素時(shí)，會(huì)將新元素添加到隊(duì)列的末尾，并通過siftUp()方法將元素上濾到合適的位置，以維護(hù)堆的性質(zhì)。當(dāng)獲取元素時(shí)，會(huì)獲取隊(duì)列的頭部元素，并通過siftDown()方法將隊(duì)列的末尾元素移動(dòng)到頭部，以維護(hù)堆的性質(zhì)。下面是siftUp()和siftDown()方法的代碼實(shí)現(xiàn)：

private static <T> 
void siftUp(int k, T x, Object[] array, Comparator<? super T> cmp) { 
    if (cmp != null) 
    siftUpUsingComparator(k, x, array, cmp); 
    else siftUpComparable(k, x, array); 
}
@SuppressWarnings("unchecked") 
private static <T> 
void siftUpUsingComparator(int k, T x, Object[] array, Comparator<? super T> cmp) { 
    while (k > 0) { 
        int parent = (k - 1) >>> 1; 
        Object e = array[parent]; 
        if (cmp.compare(x, (T) e) >= 0) 
        break; 
        array[k] = e; 
        k = parent; 
    } 
    array[k] = x; 
}
@SuppressWarnings("unchecked") 
private static <T> 
void siftUpComparable(int k, T x, Object[] array) { 
    Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>) x; 
    while (k > 0) { 
        int parent = (k - 1) >>> 1; 
        Object e = array[parent]; 
        if (key.compareTo((T) e) >= 0) 
        break; 
        array[k] = e; 
        k = parent; 
    } 
    array[k] = key; 
}
private static <T> 
void siftDown(int k, T x, Object[] array, Comparator<? super T> cmp) { 
    if (cmp != null) 
    siftDownUsingComparator(k, x, array, cmp); 
    else siftDownComparable(k, x, array); 
}
@SuppressWarnings("unchecked") 
private static <T> 
void siftDownUsingComparator(int k, T x, Object[] array, Comparator<? super T> cmp) { 
    int half = size >>> 1; 
    while (k < half) { 
        int child = (k << 1) + 1; 
        Object c = array[child]; 
        int right = child + 1; 
        if (right < size && cmp.compare((T) c, (T) array[right]) > 0) 
        c = array[child = right]; 
        if (cmp.compare(x, (T) c) <= 0) 
        break; 
        array[k] = c; 
        k = child; 
    } 
    array[k] = x; 
}
@SuppressWarnings("unchecked") 
private static <T> 
void siftDownComparable(int k, T x, Object[] array) { 
    Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>) x; 
    int half = size >>> 1; 
    while (k < half) { 
        int child = (k << 1) + 1; 
        Object c = array[child]; 
        int right = child + 1; 
        if (right < size && ((Comparable<? super T>) c).compareTo((T) array[right]) > 0) 
        c = array[child = right]; 
        if (key.compareTo((T) c) <= 0) 
        break; 
        array[k] = c; 
        k = child; 
    } 
    array[k] = key; 
}

siftUp()方法和siftDown()方法都使用了siftUpUsingComparator()方法和siftDownUsingComparator()方法，它們是使用Comparator來實(shí)現(xiàn)堆的上濾和下濾的。當(dāng)PriorityBlockingQueue沒有指定Comparator時(shí)，會(huì)使用元素自身的Comparable來實(shí)現(xiàn)堆的上濾和下濾。

總結(jié)

PriorityBlockingQueue是Java并發(fā)包中的一個(gè)線程安全的、支持優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的類，它使用小根堆或大根堆來維護(hù)元素的優(yōu)先級(jí)。PriorityBlockingQueue的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)使用了ReentrantLock和Condition來實(shí)現(xiàn)線程安全的操作，同時(shí)使用了數(shù)組來實(shí)現(xiàn)堆。PriorityBlockingQueue的核心方法包括添加元素的offer()方法，獲取元素的take()方法，以及維護(hù)堆性質(zhì)的siftUp()方法和siftDown()方法。PriorityBlockingQueue的使用方式與普通隊(duì)列類似，但可以根據(jù)元素的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序和處理。

以上就是詳解Java并發(fā)編程中的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列PriorityBlockingQueue的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java PriorityBlockingQueue的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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