Java容器:Stack,Queue,PriorityQueue和BlockingQueue

1. Stack

Java中Stack类继承了Vector类,在其基础上实现了了栈的功能。由于是直接继承而非通过接口进行隐藏(如Queue虽然由LinkedList实现,但对其非队列接口进行了隐藏),Java的Stack拥有Vector的所有方法并且继承了其线程安全特性(所以也和Vector一样在性能上有所损耗)。

在List的基础上,Stack添加了以下方法:

  • push:向栈中压入一个元素并返回该元素。
  • peek:获取栈顶元素,栈为空抛出异常。
  • pop:获取并弹出栈顶元素,栈为空抛出异常。
  • empty:同isEmpty()。
  • search:基于lastIndexOf()实现,返回搜索元素离栈顶的最近距离。

可见,Stack是一个古老的,并为了模拟栈的操作不惜重复实现同一函数的方法。当比较注重效率时,显然基于LinkedList或者ArrayList对栈重新实现,会有更好的效果。

2. Queue

从继承层次上看,Queue和List,Map,Set一样,是直接继承了Collections类的容器类,但是从其实现上看,Queue又可以视为一种特殊的List。原因是Queue的直接实现方法是LinkedList,并对其功能加以限制,仅暴露了Queue支持的功能:add(),remove(),element(),offer(),poll(),peek(),put(),take()。当然LinkedList这些功能对于List接口,也并非全部暴露。

Queue对象能够使用以下方法操作:

  • add:队列末尾添加一个元素,若队列已满抛出异常。

  • offer:队列末尾添加一个元素,若队列已满返回false,成功返回true。另外,可以附加时间,时间单位参数设置超时。

  • remove:移除并返回队列头部元素,若队列已空抛出异常。

  • poll:移除并返回队列头部元素,若队列已空返回Null。另外,可以附加时间,时间单位参数设置超时。

  • element:返回队列头部元素,若队列已空抛出异常。

  • peek:返回队列头部元素,若队列已空返回Null。

需要注意的是,由于队列中poll和peek操作以Null为标志,所以队列中添加Null元素是不合法的。

3. PriorityQueue

在介绍完Stack和Queue后,自然要说另一个最基本的数据结构——Heap,也就是这里的PriorityQueue优先队列。有关优先队列,我在很久很久以前介绍过C++的优先队列,Java也一样,重点部分是对Comparator的操作。
由于知道PriorityQueue是基于Heap的,当新的元素存储时,会调用siftUpUsingComparator方法,其定义如下:

    private void siftUpUsingComparator(int k, E x) {
        while (k > 0) {
            int parent = (k - 1) >>> 1;
            Object e = queue[parent];
            if (comparator.compare(x, (E) e) >= 0)
                break;
            queue[k] = e;
            k = parent;
        }
        queue[k] = x;
    }

我们从代码可以看出,当Comparator的返回值为负时,会进行siftUp操作。例如,如果我们想让数值大的数字(下例子中为a)先出列,则让compare(a,b),则返回-1即可。可以看出来,和C++类似,方法取得的是“不小于”的概念。我们定义的方法可以视为是一个“小于”方法。

另外我们要注意到Comparator这个接口尽管有很多方法,但是有@FunctionalInterface标志,说明这是一个函数接口,换言之,在Java8中,我们可以使用lambda表达式来写这个方法。

用匿名类方法写的Comparator:

        PriorityQueue priorityQueue=new PriorityQueue(new Comparator<Student>() {
            @Override
            public int compare(Student student1, Student student2) {
                return student1.mark.compareTo(student2.mark);
            }
        });

用lambda表达式写Comparator

        PriorityQueue priorityQueue=new PriorityQueue((Comparator<Student>)(student1, student2)->student1.mark.compareTo(student2.mark));

这里需要注意的是,如果不加上类型转换,Java无法正确推断lambda表达式的类型。

4. BlockingQueue

Java中Queue的最重要的应用大概就是其子类BlockingQueue了。

考虑到生产者消费者模型,我们有多个生产者和多个消费者,生产者不断提供资源给消费者,但如果它们的生产/消费速度不匹配或者不稳定,则会造成大量的生产者闲置/消费者闲置。此时,我们需要使用一个缓冲区来存储资源,即生产者将资源置于缓冲区,而消费者不断地从缓冲区中取用资源,从而减少了闲置和阻塞。

BlockingQueue,阻塞队列,即可视之为一个缓冲区应用于多线程编程之中。当队列为空时,它会阻塞所有消费者线程,而当队列为满时,它会阻塞所有生产者线程。

在queue的基础上,BlockingQueue又添加了以下方法:

  • put:队列末尾添加一个元素,若队列已满阻塞。
  • take:移除并返回队列头部元素,若队列已空阻塞。
  • drainTo:一次性获取所有可用对象,可以用参数指定获取的个数,该操作是原子操作,不需要针对每个元素的获取加锁。

BlockingQueue接口有以下几种实现。

4.1. ArrayBlockingQueue

由一个定长数组和两个标识首尾的整型index标识组成,生产者放入数据和消费者取出数据对于ArrayBlockingQueue而言使用了同一个锁(一个私有的ReentrantLock),因而无法实现真正的并行。可以在初始化时除长度参数以外,附加一个boolean类型的变量,用于给其私有的ReentrantLock进行初始化(初始化是否为公平锁,默认为false)。

4.2. LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue的最大特点是,若没有指定最大容量,其可以视为无界队列(有默认最大容量限制,往往系统资源耗尽也无法达到)。即,不对生产者的行为加以限制,只在队列为空的时候限制消费者的行为。LinkedBlockingQueue采用了读写分离的两个ReentrantLock去控制put和take,因而有了更好的性能(类似读写锁提供读写场景下更好的性能),如下:

    /** Lock held by take, poll, etc */
    private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

    /** Wait queue for waiting takes */
    private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

    /** Lock held by put, offer, etc */
    private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

    /** Wait queue for waiting puts */
    private final Condition notFull = putLock.newCondition();

ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue是最常用的两种阻塞队列。

4.3. PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是对PriorityQueue的包装,因而也是一个优先队列。其优先级默认是直接比较,大者先出队,也可以从构造器传入自定义的Comparator。由于PriorityQueue从实现上是一个无界队列,PriorityBlockingQueue同样是一个无界队列,对生产者不做限制。

4.4. DelayQueue

DelayQueue是在PriorityBlockingQueue的基础上包装产生的,它用于存放Delayed对象,该队列的头部是延迟期满后保存时间最长的Delayed元素(即,以时间为优先级利用PriorityBlockingQueue),当没有元素延迟期满时,对其进行poll操作将会返回Null。take操作会阻塞。

4.5. SynchronousQueue

SynchronousQueue十分特殊,它没有容量——换言之,它是一个长度为0的BlockingQueue,生产者和消费者进行的是无中介的直接交易,当生产者/消费者没有找到合适的目标时,即会发生阻塞。但由于减少了环节,其整体性能在一些系统中可能更加适合。该方法同样支持在构造时确定为公平/默认的非公平模式,如果是非公平模式,有可能会导致某些生产者/消费者饥饿。

5. 参考文章

Java多线程-工具篇-BlockingQueue

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