Q
-
是什么？
-
优势？
-
使用场景？
-
无锁队列怎么实现？
1.环形队列是什么
队列是一种常用的数据结构，这种结构保证了数据是按照“先进先出”的原则进行操作的，即最先进去的元素也是最先出来的元素.环形队列是一种特殊的队列结构，保证了元素也是先进先出的，但与一般队列的区别是，他们是环形的，即队列头部的上个元素是队列尾部，通常是容纳元素数固定的一个闭环。
2.环形队列的优点
1、 保证元素是先进先出的
是由队列的性质保证的，在环形队列中通过对队列的顺序访问保证。
2、元素空间可以重复利用
因为一般的环形队列都是一个元素数固定的一个闭环，可以在环形队列初始化的时候分配好确定的内存空间，当进队或出队时只需要返回指定元素内存空间的地址即可，这些内存空间可以重复利用，避免频繁内存分配和释放的开销。
3、为多线程数据通信提供了一种高效的机制。
在最典型的生产者消费者模型中，如果引入环形队列，那么生成者只需要生成“东西”然后放到环形队列中即可，而消费者只需要从环形队列里取“东西”并且消费即可，没有任何锁或者等待，巧妙的高效实现了多线程数据通信。
3.环形队列的工作场景
一般应用于需要高效且频繁进行多线程通信传递数据的场景，例如：linux捕包、发包等等，（linux系统中对PACKET_RX_RING和PACKET_TX_RING的支持实质就是内核实现的一种环形队列）
实际环形队列在工作时有3种情况：
3.1 入队速度=出队速度
这是环形队列的常态，即入队速度和出队速度大致一样，即使某个突然时刻入队速度陡然变高或者出队速度陡然变低，都能通过队列这个缓冲区把这些数据先存起来，等到能处理的时候再处理。
3.2 入队速度>出队速度
在这种情况下，队列“写入”的速度>“读取”的速度，想象当这种状态持续一段时间之后，队列中大多数全是写入但没读取的元素，当又一个新的元素产生时，可以把这个新元素drop掉或者放在另一个缓冲区保存起来，这种情况的出现不是个好事情，说明你需要对出队处理元素的算法或逻辑优化处理速度了。
3.3 入队速度<出队速度
在这种情况下，队列“读取”速度>“写入”速度，这种情况说明程序出队处理元素的速度很快，这是比较好的情况，唯一不足的是读取队列的时候可能经常会轮询队列是否有新的元素，造成cpu占用过高。
4. 无锁环形队列的实现
4.1 环形队列的存储结构
链表和线性表都是可以的，但几乎都用线性表实现，比链表快很多，原因也是显而易见的，因为访问链表需要挨个遍历。
4.2 读写index
有2个index很重要，一个是写入index，标示了当前可以写入元素的index，入队时使用。一个是读取index，标示了当前可以读取元素的index，出队时使用。
4.3 元素状态切换
有种很巧妙的方法，就是在队列中每个元素的头部加一个元素标示字段，标示这个元素是可读还是可写，而这个的关键就在于何时设置元素的可读可写状态，参照linux内核实现原理，当这个元素读取完之后，要设置可写状态，当这个元素写入完成之后，要设置可读状态。
环形队列实现
方法
public boolean add(E e)：加入队列
public E next()：加入返回当前指针元素并把指针指向下一个元素
public E prev()：返回当前元素，并把指针指向上一个元素
remove(E e)：删除队列中某一个元素
代码
public class CircularQueue<E> {
private int size;
//指针
private Node<E> node;
private Node<E> first;
private Node<E> last;
private final int MODE_NEXT = 0;
private final int MODE_PREV = 1;
private int lastMode = MODE_NEXT; //最后一次操作，0为next，1为prev
public CircularQueue() {
}
/**
* 加入队列
* @param e
*/
public boolean add(E e){
final Node<E> l = last;
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, first);
last = newNode;
if (node == null) node = newNode; //指针
if (l == null) {
first = newNode;
first.prev = first;
}
else {
l.next = newNode;
first.prev = l.next;
}
size++;
return true;
}
/**
* 返回当前指针元素并把指针指向下一个元素
* @return
*/
public E next() {
if (node == null) {
return null;
}
E e = node.item;
node = node.next;
lastMode = MODE_NEXT;
return e;
}
/**
* 返回当前元素，并把指针指向上一个元素
* @return
*/
public E prev() {
if (node == null) {
return null;
}
E e = node.item;
node = node.prev;
lastMode = MODE_PREV;
return e;
}
/**
* 删除队列中某一个元素
* @param e
* @return
*/
public boolean remove(E e) {
if (e == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (e.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
size--;
return true;
}
public E peek(){
return node.item;
}
/**
* 删除节点
*/
E unlink(Node<E> x) {
final E element = x.item;
final Node<E> next = x.next;
final Node<E> prev = x.prev;
if (prev == x || next == x) {
this.first = null;
this.last = null;
this.node = null;
}
next.prev = prev;
prev.next = next;
if ((element==null&&this.node.item==null) || (element.equals(this.node.item))) {
this.node = lastMode==MODE_NEXT ? this.node.next : this.node.prev;
}
x.item = null;
x = null;
size--;
return element;
}
public int size() {
return size;
}
/**
* 节点类
* @param <E>
*/
private static class Node<E> {
E item;
Node<E> next;
Node<E> prev;
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
}
并发安全的环形队列
如果在高并发的情况下需要实现线程同步的环形队列，只需要继承上面的类，为需要同步的方法加锁即可：
public class CircularBlockingQueue<E> extends CircularQueue<E> {
/** 对添加，删除，指针移动操作加锁 */
protected final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
private QueueListener listener;
public CircularBlockingQueue() {
super();
}
public CircularBlockingQueue(QueueListener listener) {
super();
this.listener = listener;
}
public void setListener(QueueListener listener) {
this.listener = listener;
}
@Override
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
try {
putLock.lockInterruptibly();
super.add(e);
if (listener != null) listener.afterAdd(e);
return true;
} catch (InterruptedException exp) {
exp.printStackTrace();
return false;
} finally {
putLock.unlock();
}
}
@Override
public E next() {
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
try {
putLock.lockInterruptibly();
return super.next();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
return null;
} finally {
putLock.unlock();
}
}
@Override
public E prev() {
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
try {
putLock.lockInterruptibly();
return super.prev();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
return null;
} finally {
putLock.unlock();
}
}
@Override
public boolean remove(E e) {
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
try {
putLock.lockInterruptibly();
if (listener != null) listener.afterAdd(e);
return super.remove(e);
} catch (InterruptedException exp) {
exp.printStackTrace();
return false;
} finally {
putLock.unlock();
}
}
/**
* 监听器监听插入，删除，等操作之后需要实现的功能
*/
interface QueueListener<E> {
void afterAdd(E e);
void afterRemove(E e);
}
}
#
参考资料
《java 并发编程的艺术》
- 环形队列
http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3610382.html
