死磕Java并发：J.U.C之阻塞队列：PriorityBlockingQueue

作者：chenssy

来源：Java技术驿站

我们知道线程Thread可以调用setPriority(int newPriority)来设置优先级的，线程优先级高的线程先执行，优先级低的后执行。而前面介绍的ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue都是采用FIFO原则来确定线程执行的先后顺序，那么有没有一个队列可以支持优先级呢？ PriorityBlockingQueue 。

PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界阻塞队列。默认情况下元素采用自然顺序升序排序，当然我们也可以通过构造函数来指定Comparator来对元素进行排序。需要注意的是PriorityBlockingQueue不能保证同优先级元素的顺序。

二叉堆

由于PriorityBlockingQueue底层采用二叉堆来实现的，所以有必要先介绍下二叉堆。

二叉堆是一种特殊的堆，就结构性而言就是完全二叉树或者是近似完全二叉树，满足树结构性和堆序性。树机构特性就是完全二叉树应该有的结构，堆序性则是：父节点的键值总是保持固定的序关系于任何一个子节点的键值，且每个节点的左子树和右子树都是一个二叉堆。它有两种表现形式：最大堆、最小堆。

最大堆：父节点的键值总是大于或等于任何一个子节点的键值（下右图）

最小堆：父节点的键值总是小于或等于任何一个子节点的键值（下走图）

二叉堆一般用数组表示，如果父节点的节点位置在n处，那么其左孩子节点为：2 * n + 1 ，其右孩子节点为2 * (n + 1)，其父节点为（n - 1） / 2 处。上左图的数组表现形式为：

二叉堆的基本结构了解了，下面来看看二叉堆的添加和删除节点。二叉堆的添加和删除相对于二叉树来说会简单很多。

添加元素

首先将要添加的元素N插添加到堆的末尾位置（在二叉堆中我们称之为空穴）。如果元素N放入空穴中而不破坏堆的序（其值大于跟父节点值（最大堆是小于父节点）），那么插入完成。否则，我们则将该元素N的节点与其父节点进行交换，然后与其新父节点进行比较直到它的父节点不在比它小（最大堆是大）或者到达根节点。

假如有如下一个二叉堆

这是一个最小堆，其父节点总是小于等于任一一个子节点。现在我们添加一个元素2。

第一步：在末尾添加一个元素2，如下：

第二步：元素2比其父节点6小，进行替换，如下：

第三步：继续与其父节点5比较，小于，替换：

第四步：继续比较其跟节点1，发现跟节点比自己小，则完成，到这里元素2插入完毕。所以整个添加元素过程可以概括为：在元素末尾插入元素，然后不断比较替换直到不能移动为止。

删除元素

删除元素与增加元素一样，需要维护整个二叉堆的序。删除位置1的元素（数组下标0），则把最后一个元素空出来移到最前边，然后和它的两个子节点比较，如果两个子节点中较小的节点小于该节点，就将他们交换，知道两个子节点都比该元素大为止。

就上面二叉堆而言，删除的元素为元素1。

第一步：删掉元素1，元素6空出来，如下：

第二步：与其两个子节点（元素2、元素3）比较，都小，将其中较小的元素（元素2）放入到该空穴中：

第三步：继续比较两个子节点（元素5、元素7），还是都小，则将较小的元素（元素5）放入到该空穴中：!

第四步：比较其子节点（元素8），比该节点小，则元素6放入该空穴位置不会影响二叉堆的树结构，放入：

到这里整个删除操作就已经完成了。

二叉堆的添加、删除操作还是比较简单的，很容易就理解了。下面我们就参考该内容来开启PriorityBlockingQueue的源代码研究。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue继承AbstractQueue，实现BlockingQueue接口。

public class PriorityBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable

定义了一些属性：

// 默认容量
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11;
// 最大容量
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
// 二叉堆数组
private transient Object[] queue;
// 队列元素的个数
private transient int size;
// 比较器，如果为空，则为自然顺序
private transient Comparator<? super E> comparator;
// 内部锁
private final ReentrantLock lock;
private final Condition notEmpty;
//
private transient volatile int allocationSpinLock;
// 优先队列：主要用于序列化，这是为了兼容之前的版本。只有在序列化和反序列化才非空
private PriorityQueue<E> q;

内部仍然采用可重入锁ReentrantLock来实现同步机制，但是这里只有一个notEmpty的Condition，了解了ArrayBlockingQueue我们知道它定义了两个Condition，之类为何只有一个呢？原因就在于PriorityBlockingQueue是一个无界队列，插入总是会成功，除非消耗尽了资源导致服务器挂。

入列

PriorityBlockingQueue提供put()、add()、offer()方法向队列中加入元素。我们这里从put()入手：put(E e) ：将指定元素插入此优先级队列。

public void put(E e) {
offer(e); // never need to block
}

PriorityBlockingQueue是无界的，所以不可能会阻塞。内部调用offer(E e)：

public boolean offer(E e) {
// 不能为null
if (e == null)
throw new NullPointerException();
// 获取锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
int n, cap;
Object[] array;
// 扩容
while ((n = size) >= (cap = (array = queue).length))
tryGrow(array, cap);
try {
Comparator<? super E> cmp = comparator;
// 根据比较器是否为null，做不同的处理
if (cmp == null)
siftUpComparable(n, e, array);
else
siftUpUsingComparator(n, e, array, cmp);
size = n + 1;
// 唤醒正在等待的消费者线程
notEmpty.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
return true;
}

siftUpComparable当比较器comparator为null时，采用自然排序，调用siftUpComparable方法：

private static <T> void siftUpComparable(int k, T x, Object[] array) {
Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>) x;
// “上冒”过程
while (k > 0) {
// 父级节点（n - ） / 2
int parent = (k - 1) >>> 1;
Object e = array[parent];
// key >= parent 完成（最大堆）
if (key.compareTo((T) e) >= 0)
break;
// key < parant 替换
array[k] = e;
k = parent;
}
array[k] = key;
}

这段代码所表示的意思：将元素X插入到数组中，然后进行调整以保持二叉堆的特性。

siftUpUsingComparator当比较器不为null时，采用所指定的比较器，调用siftUpUsingComparator方法：

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;
}

扩容：tryGrow

private void tryGrow(Object[] array, int oldCap) {
lock.unlock(); // 扩容操作使用自旋，不需要锁主锁，释放
Object[] newArray = null;
// CAS 占用
if (allocationSpinLock == 0 && UNSAFE.compareAndSwapInt(this, allocationSpinLockOffset, 0, 1)) {
try {
// 新容量最小翻倍
int newCap = oldCap + ((oldCap < 64) ? (oldCap + 2) : (oldCap >> 1));
// 超过
if (newCap - MAX_ARRAY_SIZE > 0) { // possible overflow
int minCap = oldCap + 1;
if (minCap < 0 || minCap > MAX_ARRAY_SIZE)
throw new OutOfMemoryError();
newCap = MAX_ARRAY_SIZE; // 最大容量
}
if (newCap > oldCap && queue == array)
newArray = new Object[newCap];
} finally {
allocationSpinLock = 0; // 扩容后allocationSpinLock = 0 代表释放了自旋锁
}
}
// 到这里如果是本线程扩容newArray肯定是不为null，为null就是其他线程在处理扩容，那就让给别的线程处理
if (newArray == null)
Thread.yield();
// 主锁获取锁
lock.lock();
// 数组复制
if (newArray != null && queue == array) {
queue = newArray;
System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, oldCap);
}
}

整个添加元素的过程和上面二叉堆一模一样：先将元素添加到数组末尾，然后采用“上冒”的方式将该元素尽量往上冒。

出列

PriorityBlockingQueue提供poll()、remove()方法来执行出对操作。出对的永远都是第一个元素：array[0]。

public E poll() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}

先获取锁，然后调用dequeue()方法：

private E dequeue() {
// 没有元素返回null
int n = size - 1;
if (n < 0)
return null;
else {
Object[] array = queue;
// 出对元素
E result = (E) array[0];
// 最后一个元素（也就是插入到空穴中的元素）
E x = (E) array[n];
array[n] = null;
// 根据比较器释放为null，来执行不同的处理
Comparator<? super E> cmp = comparator;
if (cmp == null)
siftDownComparable(0, x, array, n);
else
siftDownUsingComparator(0, x, array, n, cmp);
size = n;
return result;
}
}

siftDownComparable

如果比较器为null，则调用siftDownComparable来进行自然排序处理：

private static <T> void siftDownComparable(int k, T x, Object[] array,
int n) {
if (n > 0) {
Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>)x;
// 最后一个叶子节点的父节点位置
int half = n >>> 1;
while (k < half) {
int child = (k << 1) + 1; // 待调整位置左节点位置
Object c = array[child]; //左节点
int right = child + 1; //右节点
//左右节点比较，取较小的
if (right < n &&
((Comparable<? super T>) c).compareTo((T) array[right]) > 0)
c = array[child = right];
//如果待调整key最小，那就退出，直接赋值
if (key.compareTo((T) c) <= 0)
break;
//如果key不是最小，那就取左右节点小的那个放到调整位置，然后小的那个节点位置开始再继续调整
array[k] = c;
k = child;
}
array[k] = key;
}
}

处理思路和二叉堆删除节点的逻辑一样：就第一个元素定义为空穴，然后把最后一个元素取出来，尝试插入到空穴位置，并与两个子节点值进行比较，如果不符合，则与其中较小的子节点进行替换，然后继续比较调整。

siftDownUsingComparator

如果指定了比较器，则采用比较器来进行调整：

private static <T> void siftDownUsingComparator(int k, T x, Object[] array,
int n,
Comparator<? super T> cmp) {
if (n > 0) {
int half = n >>> 1;
while (k < half) {
int child = (k << 1) + 1;
Object c = array[child];
int right = child + 1;
if (right < n && 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;
}
}

PriorityBlockingQueue采用二叉堆来维护，所以整个处理过程不是很复杂，添加操作则是不断“上冒”，而删除操作则是不断“下掉”。掌握二叉堆就掌握了PriorityBlockingQueue，无论怎么变还是。对于PriorityBlockingQueue需要注意的是他是一个无界队列，所以添加操作是不会失败的，除非资源耗尽。

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