队列——在线程池等有限资源池中的应用

  我们都知道 CPU 资源是优先的，任务的处理速度和线程个数并不是线性相关的。相反，过多的线程反而会导致 CPU 频繁的切换，处理性能下降，所以，线程池的线程数量是预先设置的好的。
  那么当我们向一个固定大小的线程池中请求一个线程池时，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？时拒绝请求还是排队请求？各种处理策略又是怎样实现的呢？
  实际上，这个问题并不复杂，其底层的数据结构就是我们今天要学的东西，队列。

如何理解“队列”？

  队列这个概念非常好理解，相当于超市排队结算，先来的先结算，不能插队，也就是先进先出，于栈的先进后出相反，但是队列和栈一样，也是一个操作受限的线性表数据结构。队列被多应用于一些偏向底层系统、框架、中间件的开发，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

  那么提炼一个基础的队列行为，它具有先进先出的特性，支持在队尾插入元素，在对头删除元素，那它究竟该如何实现呢？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。
  我们先来看一下数组的实现方式：

public class ArrayQueue {

    private String[] items;
    private int n;
    private int head;
    private int tail;

    public ArrayQueue(int capacity) {
        items = new String[capacity];
        n = capacity;
    }

    public boolean enqueue(String item) {
        if (tail == n) {
            return false;
        }

        items[tail] = item;
        tail++;
        return true;
    }

    public String dequeue() {
        if (head == tail) {
            return null;
        }

        String tmp = items[head];
        head++;
        return tmp;
    }

    public String[] getItems() {
        return items;
    }

    public void setItems(String[] items) {
        this.items = items;
    }

    public int getN() {
        return n;
    }

    public void setN(int n) {
        this.n = n;
    }

    public int getHead() {
        return head;
    }

    public void setHead(int head) {
        this.head = head;
    }

    public int getTail() {
        return tail;
    }

    public void setTail(int tail) {
        this.tail = tail;
    }
}

  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。你可以借助下图来理解：

  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。也就是说随着不停的出队和入队操作，head 和 tail 会持续移动，当 tail 移动到最右边，及时数组中还有空闲的空间，也无法继续向队列中添加数据了。这个问题如何解决？

  实际上我们可以通过搬移数据的形式，但是不搬移整块空间，看图会好理解一些：

  这样，我们的出队函数 dequeue() 保持不变，需要稍加改动入队函数 enqueue() 的实现：

public boolean enqueue_2(String item) {
    if (tail == n) {
        if (head == 0) {
            // 表示队列已满
            return false;
        }
        // 搬运数据
        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;
}

  这种实现思路中，出队操作的时间复杂度仍然是O(1)

  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。他们分别指向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。

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。

  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：

  通过这样的方式我们就避免了数据搬移的麻烦，但是判空条件就麻烦起来了，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：

  对照着上图，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。
  如果还没怎么理解，就可以看下代码：

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

  上面这些队列说实话开发都很少涉足，倒是另外一些像是阻塞队列和并发队列应用却比较广泛。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。
  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”。
  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。

开篇解答

  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？
  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？其实就是所谓的拒绝策略。
  需要注意的是队列的选择，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。