数据结构与算法-10_阻塞队列

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1.单锁实现

Java 中防止代码段交错执行,有两种锁选择

  • synchronized 代码块,属于关键字级别提供锁保护,功能少
  • ReentrantLock 类,功能丰富

以 ReentrantLock 为例

java 复制代码
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void offer(String e) {
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        array[tail] = e;
        tail++;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

只要两个线程执行上段代码时,锁对象是同一个,就能保证 try 块内的代码的执行不会出现指令交错现象,即执行顺序只可能是下面两种情况之一

线程1 线程2 说明
lock.lockInterruptibly() t1对锁对象上锁
array[tail]=e1
lock.lockInterruptibly() 即使 CPU 切换到线程2,但由于t1已经对该对象上锁,因此线程2卡在这儿进不去
tail++ 切换回线程1 执行后续代码
lock.unlock() 线程1 解锁
array[tail]=e2 线程2 此时才能获得锁,执行它的代码
tail++
  • 另一种情况是线程2 先获得锁,线程1 被挡在外面
  • 保护的是 tail 位置读写的安全

锁同时保护了 tail 和 size 的读写安全

java 复制代码
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
int size = 0;

public void offer(String e) {
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        if(isFull()) {
            // 满了怎么办?
        }
        array[tail] = e;
        tail++;
        
        size++;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

private boolean isFull() {
    return size == array.length;
}

之前是返回 false 表示添加失败,前面分析过想达到这么一种效果:

  • 在队列满时,不是立刻返回,而是当前线程进入等待
  • 什么时候队列不满了,再唤醒这个等待的线程,从上次的代码处继续向下运行

ReentrantLock 可以配合条件变量来实现

java 复制代码
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition tailWaits = lock.newCondition(); // 条件变量
int size = 0;

public void offer(String e) {
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (isFull()) {
            tailWaits.await();	// 当队列满时, 当前线程进入 tailWaits 等待
        }
        array[tail] = e;
        tail++;
        
        size++;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

private boolean isFull() {
    return size == array.length;
}
  • 条件变量底层也是个队列,用来存储这些需要等待的线程,当队列满了,就会将 offer 线程加入条件队列,并暂时释放锁
  • 将来队列如果不满了(由 poll 线程那边得知)可以调用 tailWaits.signal() 来唤醒 tailWaits 中首个等待的线程,被唤醒的线程会再次抢到锁,从上次 await 处继续向下运行
操作前 offer(4) offer(5) poll() 操作后
[1 2 3] 队列满,进入tailWaits 等待 [1 2 3]
[1 2 3] 取走 1,队列不满,唤醒线程 [2 3]
[2 3] 抢先获得锁,发现不满,放入 5 [2 3 5]
[2 3 5] 从上次等待处直接向下执行 [2 3 5 ?]

关键点:为何要用 while 而不是 if

  • 从 tailWaits 中唤醒的线程,会与新来的 offer 的线程争抢锁,谁能抢到是不一定的,如果后者先抢到,就会导致条件又发生变化
  • 这种情况称之为虚假唤醒,唤醒后应该重新检查条件,是不是需要重新进入等待

代码

java 复制代码
/**
 * 单锁实现
 * @param <E> 元素类型
 */
public class BlockingQueue1<E> implements BlockingQueue<E> {
    private final E[] array;
    private int head = 0;
    private int tail = 0;
    private int size = 0; // 元素个数

    @SuppressWarnings("all")
    public BlockingQueue1(int capacity) {
        array = (E[]) new Object[capacity];
    }

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Condition tailWaits = lock.newCondition();
    Condition headWaits = lock.newCondition();

    @Override
    public void offer(E e) throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (isFull()) {
                tailWaits.await();
            }
            array[tail] = e;
            if (++tail == array.length) {
                tail = 0;
            }
            size++;
            headWaits.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    @Override
    public void offer(E e, long timeout) throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            long t = TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeout);
            while (isFull()) {
                if (t <= 0) {
                    return;
                }
                t = tailWaits.awaitNanos(t);
            }
            array[tail] = e;
            if (++tail == array.length) {
                tail = 0;
            }
            size++;
            headWaits.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    @Override
    public E poll() throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (isEmpty()) {
                headWaits.await();
            }
            E e = array[head];
            array[head] = null; // help GC
            if (++head == array.length) {
                head = 0;
            }
            size--;
            tailWaits.signal();
            return e;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    private boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    private boolean isFull() {
        return size == array.length;
    }
}

注意

  • JDK 中 BlockingQueue 接口的方法命名
    • 方法 offer(E e) 是非阻塞的实现,阻塞实现方法为 put(E e)
    • 方法 poll() 是非阻塞的实现,阻塞实现方法为 take()

2.双锁实现

单锁的缺点在于:

  • 生产和消费几乎是不冲突的,唯一冲突的是生产者和消费者它们有可能同时修改 size
  • 冲突的主要是生产者之间:多个 offer 线程修改 tail
  • 冲突的还有消费者之间:多个 poll 线程修改 head

进一步提高性能,可以用两把锁

  • 一把锁保护 tail
  • 另一把锁保护 head
java 复制代码
ReentrantLock headLock = new ReentrantLock();  // 保护 head 的锁
Condition headWaits = headLock.newCondition(); // 队列空时,需要等待的线程集合

ReentrantLock tailLock = new ReentrantLock();  // 保护 tail 的锁
Condition tailWaits = tailLock.newCondition(); // 队列满时,需要等待的线程集合

offer 方法

缺点是 size 并不受 tailLock 保护,tailLock 与 headLock 是两把不同的锁,并不能实现互斥的效果

java 复制代码
@Override
public void offer(E e) throws InterruptedException {
    tailLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 队列满等待
        while (isFull()) {
            tailWaits.await();
        }
        
        // 不满则入队
        array[tail] = e;
        if (++tail == array.length) {
            tail = 0;
        }
        
        // 修改 size (有问题)
        size++;
        
    } finally {
        tailLock.unlock();
    }
}

size 需要用下面的代码保证原子性

java 复制代码
AtomicInteger size = new AtomicInteger(0);	   // 保护 size 的原子变量

size.getAndIncrement(); // 自增
size.getAndDecrement(); // 自减

代码修改为

java 复制代码
@Override
public void offer(E e) throws InterruptedException {
    tailLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 队列满等待
        while (isFull()) {
            tailWaits.await();
        }
        
        // 不满则入队
        array[tail] = e;
        if (++tail == array.length) {
            tail = 0;
        }
        
        // 修改 size
        size.getAndIncrement();
        
    } finally {
        tailLock.unlock();
    }
}

poll 方法

java 复制代码
@Override
public E poll() throws InterruptedException {
    E e;
    headLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 队列空等待
        while (isEmpty()) {
            headWaits.await();
        }
        
        // 不空则出队
        e = array[head];
        if (++head == array.length) {
            head = 0;
        }
        
        // 修改 size
        size.getAndDecrement();
        
    } finally {
        headLock.unlock();
    }
    return e;
}

如何通知 headWaits 和 tailWaits 中等待的线程,比如 poll 方法拿走一个元素,通知 tailWaits。

代码

java 复制代码
@Override
public E poll() throws InterruptedException {
    E e;
    headLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 队列空等待
        while (isEmpty()) {
            headWaits.await();
        }
        
        // 不空则出队
        e = array[head];
        if (++head == array.length) {
            head = 0;
        }
        
        // 修改 size
        size.getAndDecrement();
        
        // 通知 tailWaits 不满(有问题)
        tailWaits.signal();
        
    } finally {
        headLock.unlock();
    }
    return e;
}

要使用这些条件变量的 await(), signal() 等方法需要先获得与之关联的锁,上面代码运行出现错误

java 复制代码
java.lang.IllegalMonitorStateException

解决:避免嵌套,两段加锁的代码平级

性能提升

  1. 代码调整后 offer 并没有同时获取 tailLock 和 headLock 两把锁,因此两次加锁之间会有空隙,这个空隙内可能有其它的 offer 线程添加了更多的元素,那么这些线程都要执行 signal(),通知 poll 线程队列非空吗?

    • 每次调用 signal() 都需要这些 offer 线程先获得 headLock 锁,成本较高,要想法减少 offer 线程获得 headLock 锁的次数
    • 可以加一个条件:当 offer 增加前队列为空,即从 0 变化到不空,才由此 offer 线程来通知 headWaits,其它情况不归它管
  2. 队列从 0 变化到不空,会唤醒一个等待的 poll 线程,这个线程被唤醒后,肯定能拿到 headLock 锁,因此它具备了唤醒 headWaits 上其它 poll 线程的先决条件。如果检查出此时有其它 offer 线程新增了元素(不空,但不是从0变化而来),那么不妨由此 poll 线程来唤醒其它 poll 线程,称之为级联通知(cascading notifies)

  3. 在 poll 时队列从满变化到不满,才由此 poll 线程来唤醒一个等待的 offer 线程,目的也是为了减少 poll 线程对 tailLock 上锁次数,剩下等待的 offer 线程由这个 offer 线程间接唤醒

代码

java 复制代码
public class BlockingQueue2<E> implements BlockingQueue<E> {

    private final E[] array;
    private int head = 0;
    private int tail = 0;
    private final AtomicInteger size = new AtomicInteger(0);
    ReentrantLock headLock = new ReentrantLock();
    Condition headWaits = headLock.newCondition();
    ReentrantLock tailLock = new ReentrantLock();
    Condition tailWaits = tailLock.newCondition();

    public BlockingQueue2(int capacity) {
        this.array = (E[]) new Object[capacity];
    }

    @Override
    public void offer(E e) throws InterruptedException {
        int c;
        tailLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (isFull()) {
                tailWaits.await();
            }
            array[tail] = e;
            if (++tail == array.length) {
                tail = 0;
            }            
            c = size.getAndIncrement();
            // a. 队列不满, 但不是从满->不满, 由此offer线程唤醒其它offer线程
            if (c + 1 < array.length) {
                tailWaits.signal();
            }
        } finally {
            tailLock.unlock();
        }
        // b. 从0->不空, 由此offer线程唤醒等待的poll线程
        if (c == 0) {
            headLock.lock();
            try {
                headWaits.signal();
            } finally {
                headLock.unlock();
            }
        }
    }

    @Override
    public E poll() throws InterruptedException {
        E e;
        int c;
        headLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (isEmpty()) {
                headWaits.await(); 
            }
            e = array[head]; 
            if (++head == array.length) {
                head = 0;
            }
            c = size.getAndDecrement();
            // b. 队列不空, 但不是从0变化到不空,由此poll线程通知其它poll线程
            if (c > 1) {
                headWaits.signal();
            }
        } finally {
            headLock.unlock();
        }
        // a. 从满->不满, 由此poll线程唤醒等待的offer线程
        if (c == array.length) {
            tailLock.lock();
            try {
                tailWaits.signal();
            } finally {
                tailLock.unlock();
            }
        }
        return e;
    }

    private boolean isEmpty() {
        return size.get() == 0;
    }

    private boolean isFull() {
        return size.get() == array.length;
    }

}
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