揭秘Java PriorityBlockingQueue优先级阻塞队列源码：从原理到实践

2023-09-03 09:04:26

前言

在并发编程中，队列是一种非常重要的数据结构，它可以用来临时存储数据，以便其他线程进行消费。Java中提供了多种队列实现，其中PriorityBlockingQueue是一个非常特殊的队列，它可以根据元素的优先级进行排序，从而让优先级高的元素能够更快地被消费。

PriorityBlockingQueue原理

PriorityBlockingQueue底层使用小顶堆来存储元素，小顶堆是一种二叉树数据结构，其中每个节点的值都大于或等于其子节点的值。当向PriorityBlockingQueue中添加元素时，元素会被插入到小顶堆中适当的位置，以便保持堆的性质。当从PriorityBlockingQueue中删除元素时，优先级最高的元素将被删除，即位于小顶堆根节点的元素。

PriorityBlockingQueue源码解析

PriorityBlockingQueue的源码位于java.util.concurrent包中，下面我们将详细解析其源码实现。

1. 类结构

PriorityBlockingQueue的类结构如下：

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

PriorityBlockingQueue继承自AbstractQueue，并实现了BlockingQueue接口，BlockingQueue接口定义了阻塞队列的基本操作，例如put、take等。

2. 字段

PriorityBlockingQueue的字段如下：

private final int capacity; // 队列的容量
private final Comparator<? super E> comparator; // 元素比较器
private transient Object[] queue; // 存储元素的数组
private int size; // 队列的元素数量

capacity是队列的容量，如果队列已满，则无法再向队列中添加元素。comparator是元素比较器，用于比较队列中元素的优先级。queue是存储元素的数组，size是队列的元素数量。

3. 构造方法

PriorityBlockingQueue的构造方法如下：

public PriorityBlockingQueue() {
    this(Integer.MAX_VALUE, null);
}

public PriorityBlockingQueue(int capacity) {
    this(capacity, null);
}

public PriorityBlockingQueue(int capacity, Comparator<? super E> comparator) {
    if (capacity < 1) {
        throw new IllegalArgumentException();
    }
    this.capacity = capacity;
    this.comparator = comparator;
    this.queue = new Object[capacity + 1];
}

第一个构造方法创建了一个没有容量限制的PriorityBlockingQueue，第二个构造方法创建了一个具有指定容量的PriorityBlockingQueue，第三个构造方法创建了一个具有指定容量和元素比较器的PriorityBlockingQueue。

4. 入队列方法

PriorityBlockingQueue的入队列方法如下：

public boolean offer(E e) {
    if (e == null) {
        throw new NullPointerException();
    }
    int i = size;
    if (i == capacity) {
        return false;
    }
    size = i + 1;
    siftUp(i, e);
    return true;
}

offer方法将元素e插入到队列中，如果队列已满，则返回false。首先，方法检查元素e是否为null，如果为null，则抛出NullPointerException异常。然后，方法获取队列的当前元素数量i，如果i等于capacity，则说明队列已满，方法返回false。否则，方法将size设置为i + 1，然后调用siftUp方法将元素e插入到队列中适当的位置。

5. 出队列方法

PriorityBlockingQueue的出队列方法如下：

public E poll() {
    if (size == 0) {
        return null;
    }
    int i = 0;
    E result = (E) queue[i];
    E x = (E) queue[size - 1];
    queue[size - 1] = null;
    size = size - 1;
    if (size > 0) {
        siftDown(i, x);
    }
    return result;
}

poll方法从队列中删除并返回优先级最高的元素，如果队列为空，则返回null。首先，方法检查队列是否为空，如果为空，则返回null。然后，方法获取队列的根节点索引i，并获取根节点的值result。然后，方法将最后一个元素x移动到根节点，并将其值设置为null。然后，方法将size设置为size - 1，如果size大于0，则调用siftDown方法将x下沉到适当的位置。最后，方法返回result。