数据结构与算法之美

学习内容 : 队列:队列在线程池等有限资源池中的应用

任务的处理速度与线程个数并不是线性正相关。相反,过多的线程反而会导致 CPU 频繁切换,处理性能下降。

如何理解“队列”

先进者先出,这就是典型的“队列”(First In First Out, FIFO)

栈只支持连个基本操作入栈 push()和出栈 pop();

队列的基本操作也是两个:入队enqueue(): 放一个数据到队列尾部;出队dequeue(): 从队列头部去一个元素;

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队列跟栈一样,也是一种操作受限的线性表数据结构。

非常基础的数据结构,队列的应用也非常广泛,特别是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。

顺序队列和链式队列

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。

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。

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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。

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数组实现队列

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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

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循环队列

要想写出没有 bug 的循环队列的实现代码,我个人觉得,最关键的是,确定好队空和队满的判定条件。

队列为空的判断条件仍然是 head == tail

当队满时,(tail+1)%n=head。

tail 指向的位置实际上是没有存储数据的。所以,循环队列会浪费一个数组的存储空间。

阻塞队列和并发队列

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。

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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”!

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。

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?

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。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。