循环队列：多生产者-单消费者的并发编程实践

后端

2023-09-11 14:52:00

从手写循环队列，探究多生产者-单消费者并发编程模式

引言

计算机科学中，队列是一种FIFO（先进先出）数据结构，广泛应用于并发编程、消息传递和资源管理等领域。本文将带领你深入手写循环队列的实现，探究多生产者-单消费者的并发编程模式，并模拟队列满时的处理场景。

循环队列的原理

循环队列是一种以循环数组为基础实现的队列。它通过维护一个头指针和尾指针，分别指向队列的队首和队尾，对队列进行操作。当队列为空时，头指针和尾指针都指向同一位置；当队列满时，尾指针将指向头指针的前一个位置。

手写循环队列

实现一个循环队列，我们需要定义一个固定长度的数组和两个指针（head和tail），并在数组上进行入队（enqueue）和出队（dequeue）操作。入队时，将元素添加到尾部，并更新tail指针；出队时，从头部取出元素，并更新head指针。

多生产者-单消费者模式

在并发编程中，多生产者-单消费者模式是指多个线程可以同时将元素添加到队列中，而只有一个线程可以从队列中取出元素。为了实现此模式，我们需要对循环队列进行同步处理。

模拟队列满

当队列满时，入队的线程需要等待，直到队列中有空间可用。我们使用Condition变量和锁来实现这一机制。当队列满时，入队的线程调用Condition.await()方法等待，直到队列中有空间可用；当出队的线程移除元素时，调用Condition.signal()方法通知正在等待的线程。

代码示例

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class CircularQueue {
    private int[] queue;
    private int head;
    private int tail;
    private int size;
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
    private Condition notFull = lock.newCondition();

    public CircularQueue(int size) {
        this.queue = new int[size];
        this.head = 0;
        this.tail = 0;
        this.size = size;
    }

    public void enqueue(int element) {
        lock.lock();
        try {
            while (isFull()) {
                notFull.await();
            }
            queue[tail] = element;
            tail = (tail + 1) % size;
            notEmpty.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int dequeue() {
        lock.lock();
        try {
            while (isEmpty()) {
                notEmpty.await();
            }
            int element = queue[head];
            head = (head + 1) % size;
            notFull.signal();
            return element;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        return -1;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return head == tail;
    }

    public boolean isFull() {
        return (tail + 1) % size == head;
    }
}