Java PriorityBlockingQueue的优先级排序
Java PriorityBlockingQueue简介
在Java的并发编程领域中，PriorityBlockingQueue是一个重要的类，它实现了BlockingQueue接口。PriorityBlockingQueue是一个无界的阻塞队列，其中的元素按照其自然顺序（如果元素实现了Comparable接口）或者根据构造队列时提供的Comparator进行排序。与普通的队列不同，PriorityBlockingQueue每次出队操作返回的是队列中优先级最高的元素。
这个队列适用于需要处理具有优先级任务的场景，比如在一个任务调度系统中，某些任务可能具有更高的优先级，需要优先被处理。PriorityBlockingQueue会自动根据元素的优先级进行排序，使得高优先级的任务总是排在队列的前面，方便获取和处理。
自然顺序排序
当元素实现了Comparable接口时，PriorityBlockingQueue会按照元素的自然顺序进行排序。以一个简单的整数队列为例，来看代码实现：
import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;
public class NaturalOrderExample {
public static void main(String[] args) {
PriorityBlockingQueue<Integer> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
queue.add(3);
queue.add(1);
queue.add(2);
while (!queue.isEmpty()) {
System.out.println(queue.poll());
}
}
}
在上述代码中，我们创建了一个PriorityBlockingQueue，并向其中添加了三个整数。由于Integer类已经实现了Comparable接口，所以队列会按照自然顺序（从小到大）对元素进行排序。在while循环中，通过poll()方法依次取出队列中的元素并打印，输出结果会是1、2、3。
自定义比较器排序
有时候，元素的自然顺序可能不符合我们实际的优先级需求，这时候就需要使用自定义的Comparator。假设我们有一个表示任务的类Task，每个任务有一个优先级属性，我们希望根据优先级来对任务进行排序。
import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;
import java.util.Comparator;
class Task {
private int priority;
private String taskName;
public Task(int priority, String taskName) {
this.priority = priority;
this.taskName = taskName;
}
public int getPriority() {
return priority;
}
public String getTaskName() {
return taskName;
}
@Override
public String toString() {
return "Task{" +
"priority=" + priority +
", taskName='" + taskName + '\'' +
'}';
}
}
class TaskComparator implements Comparator<Task> {
@Override
public int compare(Task task1, Task task2) {
return Integer.compare(task1.getPriority(), task2.getPriority());
}
}
public class CustomComparatorExample {
public static void main(String[] args) {
PriorityBlockingQueue<Task> queue = new PriorityBlockingQueue<>(10, new TaskComparator());
queue.add(new Task(2, "Task B"));
queue.add(new Task(1, "Task A"));
queue.add(new Task(3, "Task C"));
while (!queue.isEmpty()) {
System.out.println(queue.poll());
}
}
}
在上述代码中，我们定义了一个Task类，它有priority和taskName两个属性。然后创建了一个TaskComparator类，实现了Comparator接口，在compare方法中，根据任务的优先级进行比较。在main方法中，我们创建了一个PriorityBlockingQueue，并传入TaskComparator实例作为构造参数。接着向队列中添加了三个任务，最后通过poll()方法依次取出并打印任务，输出结果会按照优先级从小到大的顺序，即Task A、Task B、Task C。
PriorityBlockingQueue的内部实现原理
PriorityBlockingQueue内部是基于堆数据结构来实现的。堆是一种特殊的树状数据结构，它满足堆性质：对于最大堆，父节点的值总是大于或等于子节点的值；对于最小堆，父节点的值总是小于或等于子节点的值。PriorityBlockingQueue使用的是最小堆，这样根节点（即队列的头部）就是优先级最低的元素（按照自然顺序或自定义比较器定义的优先级）。
当向队列中添加元素时，PriorityBlockingQueue会先将元素添加到堆的末尾，然后通过siftUp操作来调整堆，使其重新满足堆性质。siftUp操作会比较新添加元素与其父节点，如果新元素的优先级更高（根据自然顺序或比较器），则将其与父节点交换位置，不断重复这个过程，直到堆性质得到恢复。
private void siftUpComparable(int k, E x) {
Comparable<? super E> key = (Comparable<? super E>) x;
while (k > 0) {
int parent = (k - 1) >>> 1;
Object e = queue[parent];
if (key.compareTo((E) e) >= 0)
break;
queue[k] = e;
k = parent;
}
queue[k] = key;
}
上述代码是PriorityBlockingQueue中Comparable类型元素的 siftUp方法实现。这里k表示新元素在数组中的索引位置，x是新元素。通过循环比较新元素与父节点的优先级，进行交换和调整。
当从队列中取出元素时，PriorityBlockingQueue会先将堆顶元素（即优先级最低的元素）取出，然后将堆的最后一个元素移动到堆顶，再通过siftDown操作来调整堆。siftDown操作会比较堆顶元素与其子节点，选择优先级更低的子节点与堆顶元素交换位置，不断重复这个过程，直到堆性质得到恢复。
private void siftDownComparable(int k, E x) {
int half = size >>> 1;
while (k < half) {
int child = (k << 1) + 1;
Object c = queue[child];
int right = child + 1;
if (right < size &&
((Comparable<? super E>) c).compareTo((E) queue[right]) > 0)
c = queue[child = right];
if (((Comparable<? super E>) x).compareTo((E) c) <= 0)
break;
queue[k] = c;
k = child;
}
queue[k] = x;
}
上述代码是PriorityBlockingQueue中Comparable类型元素的siftDown方法实现。这里k表示堆顶元素在数组中的索引位置，x是原来堆顶元素。通过循环比较堆顶元素与子节点的优先级，进行交换和调整。
PriorityBlockingQueue的线程安全性
PriorityBlockingQueue是线程安全的，这是因为它的所有关键操作，如add、offer、take等，都使用了内部的锁机制。在PriorityBlockingQueue的实现中，使用了ReentrantLock来保证线程安全。
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
以put方法为例，其实现如下：
public void put(E e) {
offer(e); // never need to block
}
public boolean offer(E e) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
int n, cap;
Object[] array;
while ((n = size) >= (cap = (array = queue).length))
tryGrow(array, cap);
try {
Comparator<? super E> cmp = comparator;
if (cmp == null)
siftUpComparable(n, e);
else
siftUpUsingComparator(n, e, cmp);
size = n + 1;
notEmpty.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
return true;
}
在offer方法中，首先获取ReentrantLock锁，在完成添加元素和调整堆的操作后，最后释放锁。这样可以确保在多线程环境下，对PriorityBlockingQueue的操作是线程安全的。多个线程同时访问PriorityBlockingQueue时，只有获取到锁的线程才能进行队列的操作，其他线程会被阻塞，直到锁被释放。
PriorityBlockingQueue的应用场景
- 任务调度系统：在一个多任务的应用程序中，不同的任务可能具有不同的优先级。例如，在一个服务器中，处理系统监控任务可能比处理普通用户请求具有更高的优先级。
PriorityBlockingQueue可以用来存储这些任务，调度器可以从队列中取出优先级最高的任务进行处理。 - 实时系统：在实时系统中，数据的处理顺序可能非常关键。比如在一个音频处理系统中，高优先级的音频数据需要优先处理，以保证音频的流畅播放。
PriorityBlockingQueue可以按照优先级存储音频数据块，处理模块从队列中获取数据时，总是能得到优先级最高的数据块。 - 资源分配：在资源有限的情况下，需要优先分配给优先级高的请求。例如，在一个云计算平台中，某些高优先级的用户可能需要优先获得计算资源。
PriorityBlockingQueue可以存储资源请求，资源分配模块从队列中取出优先级最高的请求进行处理，确保高优先级用户的需求得到及时满足。
与其他队列的比较
- 与
PriorityQueue的比较：PriorityQueue是一个非阻塞的优先队列，而PriorityBlockingQueue是阻塞队列。这意味着在PriorityQueue中，如果队列为空时调用poll方法，会返回null；而在PriorityBlockingQueue中，如果队列为空时调用take方法，调用线程会被阻塞，直到队列中有元素可供取出。此外，PriorityBlockingQueue是线程安全的，而PriorityQueue不是线程安全的，在多线程环境下需要额外的同步措施。 - 与
LinkedBlockingQueue的比较：LinkedBlockingQueue是一个基于链表的阻塞队列，它按照元素进入队列的顺序（FIFO）进行处理。而PriorityBlockingQueue是按照元素的优先级进行处理。LinkedBlockingQueue适用于需要按照顺序处理任务的场景，而PriorityBlockingQueue适用于需要根据优先级处理任务的场景。
注意事项
- 元素不可变：由于
PriorityBlockingQueue是根据元素的优先级进行排序的，一旦元素被添加到队列中，其优先级不应改变。如果改变了元素的优先级，可能会导致队列的排序混乱，从而影响程序的正确性。因此，建议在设计元素类时，将优先级相关的属性设置为不可变。 - 性能问题：虽然
PriorityBlockingQueue在处理优先级任务方面非常有用，但在高并发环境下，由于其内部使用锁机制来保证线程安全，可能会导致性能瓶颈。在某些场景下，可以考虑使用无锁的数据结构或其他并发队列来提高性能。另外，在队列元素数量较多时，堆的调整操作可能会比较耗时，需要根据实际应用场景进行性能测试和优化。
通过深入了解PriorityBlockingQueue的优先级排序机制、内部实现原理、线程安全性、应用场景以及与其他队列的比较，开发人员可以更好地在并发编程中使用它来满足不同的需求，构建高效、可靠的系统。在实际应用中，要根据具体场景选择合适的队列，并注意相关的注意事项，以确保程序的正确性和性能。