队列:队列在线程池等有限资源池中的应用

一、概念

  • 队列也是一种操作受限的线性表
  • 先进先出后进后出。这就是典型的“队列”结构。
  • 两个基本属性:
    1. head:指向队头的指针;一般指向第一个元素的位置。
    2. tail   :指向队尾的指针;一般指向最后一个元素的下一个位置。
  • 两个基本操作:
    1. 入队enqueue(),将一个元素放到队列末尾;
    2. 出队dequeue(),从队列头部取出一个元素。

二、常见的应用

1. 顺序队列(数组实现)

  1)队列的出队和入队通过修改 head 和 tail 指针的位置实现;

  2)入队时可能发生数据迁移,影响入队效率;比如数组大小为五,入队五个元素,然后出队两个,head指向了第三个元素,现在入队就需要将数据向前面迁移。

2. 链式队列(链表实现)

  1)入队时将tail节点的next指向入队的节点,并将新节点赋值给tail;出队时将head的next节点指向head;

  2)链表的增加和删除操作效率较高,因此链式队列的出队和入队效率也比较高;

3. 循环队列(数组实现)

  1)队列的首尾相连;

  2)避免数据的迁移,提高入队效率;

4.阻塞队列

  1)在队列的基础上增加阻塞操作,就成了阻塞队列。
  2)阻塞队列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,然后在返回。
  3)从上面的定义可以看出这就是一个“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,这时生产者就阻塞等待,直到“消费者”消费了数据,“生产者”才会被唤醒继续生产。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,来提高数据处理效率,比如配置几个消费者,来应对一个生产者。

5.并发队列

  1)在多线程的情况下,会有多个线程同时操作队列,这时就会存在线程安全问题。能够有效解决线程安全问题的队列就称为并发队列。
  2)并发队列简单的实现就是在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取操作
  3)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。

四、思考

1.除了线程池这种池结构会用到队列排队请求,还有哪些类似线程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,关于如何实现无锁的并发队列,网上有很多讨论。对这个问题,你怎么看?

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