Java优先级队列DelayedWorkQueue原理分析
2018-04-13 本文已影响926人
wo883721
我们知道线程池运行时，会不断从任务队列中获取任务，然后执行任务。如果我们想实现延时或者定时执行任务，重要一点就是任务队列会根据任务延时时间的不同进行排序，延时时间越短地就排在队列的前面，先被获取执行。
队列是先进先出的数据结构，就是先进入队列的数据，先被获取。但是有一种特殊的队列叫做优先级队列，它会对插入的数据进行优先级排序，保证优先级越高的数据首先被获取，与数据的插入顺序无关。
实现优先级队列高效常用的一种方式就是使用堆。
一. 用堆实现优先级队列
在常用排序算法总结这篇文章中，我们详细地讲解了堆排序的实现。这里我们回顾一下。
1.1 什么是堆
- 它是一个完全二叉树，即除了最后一层节点不是满的，其他层节点都是满的，即左右节点都有。
- 它不是二叉搜索树，即左节点的值都比父节点值小，右节点的值都不比父节点值小，这样查找的时候，就可以通过二分的方式，效率是(log N)。
- 它是特殊的二叉树，它要求父节点的值不能小于子节点的值。这样保证大的值在上面，小的值在下面。所以堆遍历和查找都是低效的，因为我们只知道
从根节点到子叶节点的每条路径都是降序的，但是各个路径之间都是没有联系的，查找一个值时，你不知道应该从左节点查找还是从右节点开始查找。- 它可以实现快速的插入和删除，效率都在(log N)左右。所以它可以实现优先级队列。
堆是一个二叉树，但是它最简单的方式是通过数组去实现二叉树，而且因为堆是一个完全二叉树，就不存在数组空间的浪费。怎么使用数组来存储二叉树呢？
就是用数组的下标来模拟二叉树的各个节点,比如说根节点就是0，第一层的左节点是1，右节点是2。由此我们可以得出下列公式：
// 对于n位置的节点来说：
int left = 2 * n + 1; // 左子节点
int right = 2 * n + 2; // 右子节点
int parent = (n - 1) / 2; // 父节点，当然n要大于0，根节点是没有父节点的
对于堆来说，只有两个操作，插入insert和删除remove，不管插入还是删除保证堆的成立条件，1.是完全二叉树，2.父节点的值不能小于子节点的值。
public void insert(int value) {
// 第一步将插入的值，直接放在最后一个位置。并将长度加一
store[size++] = value;
// 得到新插入值所在位置。
int index = size - 1;
while(index > 0) {
// 它的父节点位置坐标
int parentIndex = (index - 1) / 2;
// 如果父节点的值小于子节点的值，你不满足堆的条件，那么就交换值
if (store[index] > store[parentIndex]) {
swap(store, index, parentIndex);
index = parentIndex;
} else {
// 否则表示这条路径上的值已经满足降序，跳出循环
break;
}
}
}
主要步骤:
- 直接将value插入到size位置，并将size自增，这样store数组中插入一个值了。
- 要保证从这个叶节点到根节点这条路径上的节点，满足父节点的值不能小于子节点。
- 通过int parentIndex = (index - 1) / 2得到父节点，如果比父节点值大，那么两者位置的值交换，然后再拿这个父节点和它的父父节点比较。
直到这个节点值比父节点值小，或者这个节点已经是根节点就退出循环。
因为我们每次只插入一个值，所以只需要保证新插入位置的叶节点到根节点路径满足堆的条件，因为其他路径没做操作，肯定是满足条件的。第二因为是直接在size位置插入值，所以肯定满足是完全二叉树这个条件。因为每次循环index都是除以2这种倍数递减的方式，所以它最多循环次数是(log N)次。
public int remove() {
// 将根的值记录，最后返回
int result = store[0];
// 将最后位置的值放到根节点位置
store[0] = store[--size];
int index = 0;
// 通过循环，保证父节点的值不能小于子节点。
while(true) {
int leftIndex = 2 * index + 1; // 左子节点
int rightIndex = 2 * index + 2; // 右子节点
// leftIndex >= size 表示这个子节点还没有值。
if (leftIndex >= size) break;
int maxIndex = leftIndex;
if (store[leftIndex] < store[rightIndex]) maxIndex = rightIndex;
if (store[index] < store[maxIndex]) {
swap(store, index, maxIndex);
index = maxIndex;
} else {
break;
}
}
return result;
}
在堆中最大值就在根节点，所以操作步骤：
- 将根节点的值保存到result中。
- 将最后节点的值移动到根节点，再将长度减一，这样满足堆成立第一个条件，堆是一个完全二叉树。
- 使用循环，来满足堆成立的第二个条件，父节点的值不能小于子节点的值。
- 最后返回result。
那么怎么样满足堆的第二个条件呢？
因为根点的值现在是新值，那么就有可能比它的子节点小，所以就有可能要进行交换。
- 我们要找出左子节点和右子节点那个值更大，因为这个值可能要和父节点值进行交换，如果它不是较大值的话，它和父节点进行交换之后，就会出现父节点的值小于子节点。
- 将找到的较大子节点值和父节点值进行比较。
- 如果父节点的值小于它，那么将父节点和较大子节点值进行交换，然后再比较较大子节点和它的子节点。
- 如果父节点的值不小于子节点较大值，或者没有子节点(即这个节点已经是叶节点了)，就跳出循环。
- 每次循环我们都是以2的倍数递增，所以它也是最多循环次数是(log N)次。
所以通过堆这种方式可以快速实现优先级队列，它的插入和删除操作的效率都是O(log N)。
二. DelayedWorkQueue类
static class DelayedWorkQueue extends AbstractQueue<Runnable>
implements BlockingQueue<Runnable> {
从定义中看出DelayedWorkQueue是一个阻塞队列。
2.1 重要成员属性
// 初始时，数组长度大小。
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
// 使用数组来储存队列中的元素。
private RunnableScheduledFuture<?>[] queue =
new RunnableScheduledFuture<?>[INITIAL_CAPACITY];
// 使用lock来保证多线程并发安全问题。
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 队列中储存元素的大小
private int size = 0;
//特指队列头任务所在线程
private Thread leader = null;
// 当队列头的任务延时时间到了，或者有新的任务变成队列头时，用来唤醒等待线程
private final Condition available = lock.newCondition();
DelayedWorkQueue是用数组来储存队列中的元素，那么我们看看它是怎么实现优先级队列的。
2.2 插入元素排序siftUp方法
private void siftUp(int k, RunnableScheduledFuture<?> key) {
// 当k==0时，就到了堆二叉树的根节点了，跳出循环
while (k > 0) {
// 父节点位置坐标, 相当于(k - 1) / 2
int parent = (k - 1) >>> 1;
// 获取父节点位置元素
RunnableScheduledFuture<?> e = queue[parent];
// 如果key元素大于父节点位置元素，满足条件，那么跳出循环
// 因为是从小到大排序的。
if (key.compareTo(e) >= 0)
break;
// 否则就将父节点元素存放到k位置
queue[k] = e;
// 这个只有当元素是ScheduledFutureTask对象实例才有用，用来快速取消任务。
setIndex(e, k);
// 重新赋值k，寻找元素key应该插入到堆二叉树的那个节点
k = parent;
}
// 循环结束，k就是元素key应该插入的节点位置
queue[k] = key;
setIndex(key, k);
}
通过循环，来查找元素key应该插入在堆二叉树那个节点位置，并交互父节点的位置。具体流程在前面已经介绍过了。
2.3 移除元素排序siftDown方法
private void siftDown(int k, RunnableScheduledFuture<?> key) {
int half = size >>> 1;
// 通过循环，保证父节点的值不能小于子节点。
while (k < half) {
// 左子节点, 相当于 (k * 2) + 1
int child = (k << 1) + 1;
// 左子节点位置元素
RunnableScheduledFuture<?> c = queue[child];
// 右子节点, 相当于 (k * 2) + 2
int right = child + 1;
// 如果左子节点元素值大于右子节点元素值，那么右子节点才是较小值的子节点。
// 就要将c与child值重新赋值
if (right < size && c.compareTo(queue[right]) > 0)
c = queue[child = right];
// 如果父节点元素值小于较小的子节点元素值，那么就跳出循环
if (key.compareTo(c) <= 0)
break;
// 否则，父节点元素就要和子节点进行交换
queue[k] = c;
setIndex(c, k);
k = child;
}
queue[k] = key;
setIndex(key, k);
}
通过循环，保证父节点的值不能小于子节点。
2.4 插入元素方法
public void put(Runnable e) {
offer(e);
}
public boolean add(Runnable e) {
return offer(e);
}
public boolean offer(Runnable e, long timeout, TimeUnit unit) {
return offer(e);
}
我们发现与普通阻塞队列相比，这三个添加方法都是调用offer方法。那是因为它没有队列已满的条件，也就是说可以不断地向DelayedWorkQueue添加元素,当元素个数超过数组长度时，会进行数组扩容。
public boolean offer(Runnable x) {
if (x == null)
throw new NullPointerException();
RunnableScheduledFuture<?> e = (RunnableScheduledFuture<?>)x;
// 使用lock保证并发操作安全
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
int i = size;
// 如果要超过数组长度，就要进行数组扩容
if (i >= queue.length)
// 数组扩容
grow();
// 将队列中元素个数加一
size = i + 1;
// 如果是第一个元素，那么就不需要排序，直接赋值就行了
if (i == 0) {
queue[0] = e;
setIndex(e, 0);
} else {
// 调用siftUp方法，使插入的元素变得有序。
siftUp(i, e);
}
// 表示新插入的元素是队列头，更换了队列头，
// 那么就要唤醒正在等待获取任务的线程。
if (queue[0] == e) {
leader = null;
// 唤醒正在等待等待获取任务的线程
available.signal();
}
} finally {
lock.unlock();
}
return true;
}
主要是三步：
- 元素个数超过数组长度，就会调用grow()方法，进行数组扩容。
- 将新元素e添加到优先级队列中对应的位置，通过siftUp方法，保证按照元素的优先级排序。
- 如果新插入的元素是队列头，即更换了队列头，那么就要唤醒正在等待获取任务的线程。这些线程可能是因为原队列头元素的延时时间没到，而等待的。
数组扩容方法：
private void grow() {
int oldCapacity = queue.length;
// 每次扩容增加原来数组的一半数量。
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // grow 50%
if (newCapacity < 0) // overflow
newCapacity = Integer.MAX_VALUE;
// 使用Arrays.copyOf来复制一个新数组
queue = Arrays.copyOf(queue, newCapacity);
}
2.5 获取队列头元素
2.5.1 立即获取队列头元素
public RunnableScheduledFuture<?> poll() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0];
// 队列头任务是null，或者任务延时时间没有到，都返回null
if (first == null || first.getDelay(NANOSECONDS) > 0)
return null;
else
// 移除队列头元素
return finishPoll(first);
} finally {
lock.unlock();
}
}
当队列头任务是null，或者任务延时时间没有到，表示这个任务还不能返回，因此直接返回null。否则调用finishPoll方法，移除队列头元素并返回。
// 移除队列头元素
private RunnableScheduledFuture<?> finishPoll(RunnableScheduledFuture<?> f) {
// 将队列中元素个数减一
int s = --size;
// 获取队列末尾元素x
RunnableScheduledFuture<?> x = queue[s];
// 原队列末尾元素设置为null
queue[s] = null;
if (s != 0)
// 因为移除了队列头元素，所以进行重新排序。
siftDown(0, x);
setIndex(f, -1);
return f;
}
这个方法与我们在第一节中，介绍堆的删除方法一样。
- 先将队列中元素个数减一。
- 将原队列末尾元素设置成队列头元素，再将队列末尾元素设置为null。
- 调用siftDown(0, x)方法，保证按照元素的优先级排序。
2.5.2 等待获取队列头元素
public RunnableScheduledFuture<?> take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
for (;;) {
RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0];
// 如果没有任务，就让线程在available条件下等待。
if (first == null)
available.await();
else {
// 获取任务的剩余延时时间
long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
// 如果延时时间到了，就返回这个任务，用来执行。
if (delay <= 0)
return finishPoll(first);
// 将first设置为null，当线程等待时，不持有first的引用
first = null; // don't retain ref while waiting
// 如果还是原来那个等待队列头任务的线程，
// 说明队列头任务的延时时间还没有到，继续等待。
if (leader != null)
available.await();
else {
// 记录一下当前等待队列头任务的线程
Thread thisThread = Thread.currentThread();
leader = thisThread;
try {
// 当任务的延时时间到了时，能够自动超时唤醒。
available.awaitNanos(delay);
} finally {
if (leader == thisThread)
leader = null;
}
}
}
}
} finally {
if (leader == null && queue[0] != null)
// 唤醒等待任务的线程
available.signal();
lock.unlock();
}
}
如果队列中没有任务，那么就让当前线程在available条件下等待。如果队列头任务的剩余延时时间delay大于0，那么就让当前线程在available条件下等待delay时间。
如果队列插入了新的队列头，它的剩余延时时间肯定小于原来队列头的时间，这个时候就要唤醒等待线程，看看它是否能获取任务。
2.5.3 超时等待获取队列头元素
public RunnableScheduledFuture<?> poll(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
for (;;) {
RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0];
// 如果没有任务。
if (first == null) {
// 超时时间已到，那么就直接返回null
if (nanos <= 0)
return null;
else
// 否则就让线程在available条件下等待nanos时间
nanos = available.awaitNanos(nanos);
} else {
// 获取任务的剩余延时时间
long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
// 如果延时时间到了，就返回这个任务，用来执行。
if (delay <= 0)
return finishPoll(first);
// 如果超时时间已到，那么就直接返回null
if (nanos <= 0)
return null;
// 将first设置为null，当线程等待时，不持有first的引用
first = null; // don't retain ref while waiting
// 如果超时时间小于任务的剩余延时时间，那么就有可能获取不到任务。
// 在这里让线程等待超时时间nanos
if (nanos < delay || leader != null)
nanos = available.awaitNanos(nanos);
else {
Thread thisThread = Thread.currentThread();
leader = thisThread;
try {
// 当任务的延时时间到了时，能够自动超时唤醒。
long timeLeft = available.awaitNanos(delay);
// 计算剩余的超时时间
nanos -= delay - timeLeft;
} finally {
if (leader == thisThread)
leader = null;
}
}
}
}
} finally {
if (leader == null && queue[0] != null)
// 唤醒等待任务的线程
available.signal();
lock.unlock();
}
}
与take方法相比较，就要考虑设置的超时时间，如果超时时间到了，还没有获取到有用任务，那么就返回null。其他的与take方法中逻辑一样。
三. 总结
使用优先级队列DelayedWorkQueue，保证添加到队列中的任务，会按照任务的延时时间进行排序，延时时间少的任务首先被获取。
