09 | 队列：队列在线程池等有限资源池中的应用

作者：鲁米

2023-12-04
北京
本文字数：2669 字
阅读完需：约 9 分钟

除了线程池这种池结构会用到队列排队请求，你还知道有哪些类似的池结构或者场景中会用到队列的排队请求呢？

除了线程池之外，还有一些其他类似的池结构或场景中会用到队列来排队请求的例子。以下是一些常见的情况：

连接池（Connection Pool）： 在数据库访问等场景中，连接池用于管理数据库连接。当需要执行数据库操作时，从连接池中获取连接，执行完后归还到连接池。队列可用于排队等待可用连接。
资源池（Resource Pool）： 某些应用场景中，可能存在对共享资源的需求，比如网络连接、文件句柄等。资源池通过队列来管理资源的分配和释放，确保资源得到有效利用。
任务调度池（Task Scheduling Pool）： 在任务调度系统中，任务池用于管理待执行的任务。任务按照优先级或调度规则排队等待执行，队列用于存储待执行的任务。
消息队列（Message Queue）： 在消息中间件中，消息队列用于存储和传递消息。生产者将消息发送到队列，消费者从队列中获取消息进行处理。这样可以实现异步通信和解耦系统组件。
连接队列（Connection Queue）： 在网络通信中，连接队列用于存储待建立的连接请求。新的连接请求按顺序排队等待被处理。
任务队列（Task Queue）： 在异步编程中，任务队列用于存储待执行的任务。例如，Web 服务器中的请求处理可以将任务放入队列中，由后台线程依次处理。
事件队列（Event Queue）： GUI 编程中常见的事件驱动模型使用事件队列。用户交互、定时器事件等都被放入事件队列，然后由事件处理线程逐一处理。
IO 请求队列（IO Request Queue）： 在操作系统中，用于存储等待 IO 操作完成的请求。例如，磁盘 IO 请求队列用于存储等待磁盘读写完成的请求。

这些池结构或场景中使用队列来排队请求的设计，可以有效地处理并发情况，确保资源的有序分配和处理。队列作为一种先进先出的数据结构，在这些场景中发挥了重要的作用。

今天讲到并发队列，关于如何实现无锁并发队列，网上有非常多的讨论。对这个问题，你怎么看呢？

实现无锁并发队列是一个复杂而有挑战性的任务。无锁并发队列的设计旨在提高多线程环境下的性能，避免了锁竞争可能带来的性能瓶颈。然而，实现无锁并发队列需要处理诸多并发问题，其中包括原子性、可见性和有序性等。

以下是一些在实现无锁并发队列时需要考虑的关键点：

原子性操作： 无锁并发队列通常要求操作是原子的，即不可中断的。在 Java 中，可以使用java.util.concurrent.atomic包中的原子操作类，如AtomicInteger、AtomicReference等，来实现原子性操作。
内存可见性： 由于多线程可能在不同的 CPU 核心或缓存中执行，确保操作对其他线程可见是重要的。在 Java 中，volatile关键字可以保证线程对变量的写操作对其他线程是可见的。
ABA 问题的解决： 无锁算法容易受到 ABA 问题的困扰。ABA 问题指的是一个值经过一系列的变化最终又变回原来的值，可能导致操作不正确。解决 ABA 问题通常需要使用带有版本号的原子引用，比如AtomicStampedReference。
无锁算法的选择： 有多种无锁算法可以用于实现无锁并发队列，如无锁链表、无锁环形缓冲区等。选择适当的算法要根据应用的特性和需求。
性能测试： 无锁并发队列的性能要受到多线程竞争、并发度等因素的影响。在设计完成后，进行充分的性能测试是必要的，以确保在真实的多线程环境下表现良好。

需要注意的是，无锁并发编程虽然有一些性能优势，但也带来了复杂性和难以调试的问题。在选择是否使用无锁并发队列时，需要权衡性能和代码复杂性，并根据具体的应用场景来做出决策。如果不确定是否需要无锁并发队列，通常建议先使用线程安全的队列实现，如java.util.concurrent包中的ConcurrentLinkedQueue，以简化并发编程的复杂性。

循环队列

循环队列是一种环形缓冲区，可以有效地实现队列的基本操作，如入队（enqueue）和出队（dequeue），而无需移动元素。以下是一个简单的 Java 实现循环队列的例子：

public class CircularQueue {    private int[] array;    private int front;  // 队头指针    private int rear;   // 队尾指针    private int capacity;
    public CircularQueue(int capacity) {        this.capacity = capacity + 1;  // 为了区分队列满和队列空的条件，多预留一个位置        this.array = new int[this.capacity];        this.front = 0;        this.rear = 0;    }
    public boolean isEmpty() {        return front == rear;    }
    public boolean isFull() {        return (rear + 1) % capacity == front;    }
    public void enqueue(int value) {        if (!isFull()) {            array[rear] = value;            rear = (rear + 1) % capacity;        } else {            System.out.println("Queue is full. Cannot enqueue " + value);        }    }
    public int dequeue() {        if (!isEmpty()) {            int value = array[front];            front = (front + 1) % capacity;            return value;        } else {            System.out.println("Queue is empty. Cannot dequeue.");            return -1;  // 表示队列为空        }    }
    public int peek() {        if (!isEmpty()) {            return array[front];        } else {            System.out.println("Queue is empty. Cannot peek.");            return -1;  // 表示队列为空        }    }
    public int size() {        return (rear - front + capacity) % capacity;    }
    public void display() {        if (isEmpty()) {            System.out.println("Queue is empty.");            return;        }
        System.out.print("Queue elements: ");        int count = size();        int i = front;        while (count > 0) {            System.out.print(array[i] + " ");            i = (i + 1) % capacity;            count--;        }        System.out.println();    }
    public static void main(String[] args) {        CircularQueue queue = new CircularQueue(5);
        queue.enqueue(1);        queue.enqueue(2);        queue.enqueue(3);        queue.enqueue(4);        queue.enqueue(5);
        queue.display(); // 输出：1 2 3 4 5
        System.out.println("Dequeue: " + queue.dequeue()); // 输出：Dequeue: 1
        queue.enqueue(6);        queue.display(); // 输出：2 3 4 5 6    }}

复制代码

发布于: 刚刚阅读数: 4

原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/b2e2cbaadbe089eef60047b18】。

鲁米

关注

生活黑客35 2019-06-11 加入

起点不重要，迭代很重要，就需要保持充分的开放和积累；而信息越充分，结果越可靠，又要求随时调整、不断逼近真相。

发布

暂无评论

创作场景

09 | 队列：队列在线程池等有限资源池中的应用

循环队列

鲁米

评论