PriorityBlockingQueue的實現方式？ PriorityBlockingQueue是否需要擴容？ PriorityBlockingQueue是怎麼控制併發安全的？ ...
問題
（1）PriorityBlockingQueue的實現方式？
（2）PriorityBlockingQueue是否需要擴容？
（3）PriorityBlockingQueue是怎麼控制併發安全的？
簡介
PriorityBlockingQueue是java併發包下的優先順序阻塞隊列，它是線程安全的，如果讓你來實現你會怎麼實現它呢？
還記得我們前面介紹過的PriorityQueue嗎？點擊鏈接直達【死磕 java集合之PriorityQueue源碼分析】
還記得優先順序隊列一般使用什麼來實現嗎？點擊鏈接直達【拜托，面試別再問我堆（排序）了！】
源碼分析
主要屬性
// 預設容量為11
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11;
// 最大數組大小
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
// 存儲元素的地方
private transient Object[] queue;
// 元素個數
private transient int size;
// 比較器
private transient Comparator<? super E> comparator;
// 重入鎖
private final ReentrantLock lock;
// 非空條件
private final Condition notEmpty;
// 擴容的時候使用的控制變數，CAS更新這個值，誰更新成功了誰擴容，其它線程讓出CPU
private transient volatile int allocationSpinLock;
// 不阻塞的優先順序隊列，非存儲元素的地方，僅用於序列化/反序列化時
private PriorityQueue<E> q;（1）依然是使用一個數組來使用元素；
（2）使用一個鎖加一個notEmpty條件來保證併發安全；
（3）使用一個變數的CAS操作來控制擴容；
為啥沒有notFull條件呢？
主要構造方法
// 預設容量為11
public PriorityBlockingQueue() {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, null);
}
// 傳入初始容量
public PriorityBlockingQueue(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, null);
}
// 傳入初始容量和比較器
// 初始化各變數
public PriorityBlockingQueue(int initialCapacity,
Comparator<? super E> comparator) {
if (initialCapacity < 1)
throw new IllegalArgumentException();
this.lock = new ReentrantLock();
this.notEmpty = lock.newCondition();
this.comparator = comparator;
this.queue = new Object[initialCapacity];
}入隊
每個阻塞隊列都有四個方法，我們這裡只分析一個offer(E e)方法：
public boolean offer(E e) {
// 元素不能為空
if (e == null)
throw new NullPointerException();
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加鎖
lock.lock();
int n, cap;
Object[] array;
// 判斷是否需要擴容，即元素個數達到了數組容量
while ((n = size) >= (cap = (array = queue).length))
tryGrow(array, cap);
try {
Comparator<? super E> cmp = comparator;
// 根據是否有比較器選擇不同的方法
if (cmp == null)
siftUpComparable(n, e, array);
else
siftUpUsingComparator(n, e, array, cmp);
// 插入元素完畢，元素個數加1
size = n + 1;
// 喚醒notEmpty條件
notEmpty.signal();
} finally {
// 解鎖
lock.unlock();
}
return true;
}
private static <T> void siftUpComparable(int k, T x, Object[] array) {
Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>) x;
while (k > 0) {
// 取父節點
int parent = (k - 1) >>> 1;
// 父節點的元素值
Object e = array[parent];
// 如果key大於父節點，堆化結束
if (key.compareTo((T) e) >= 0)
break;
// 否則，交換二者的位置，繼續下一輪比較
array[k] = e;
k = parent;
}
// 找到了應該放的位置，放入元素
array[k] = key;
}入隊的整個操作跟PriorityQueue幾乎一致：
（1）加鎖；
（2）判斷是否需要擴容；
（3）添加元素並做自下而上的堆化；
（4）元素個數加1並喚醒notEmpty條件，喚醒取元素的線程；
（5）解鎖；
擴容
private void tryGrow(Object[] array, int oldCap) {
// 先釋放鎖，因為是從offer()方法的鎖內部過來的
// 這裡先釋放鎖，使用allocationSpinLock變數控制擴容的過程
// 防止阻塞的線程過多
lock.unlock(); // must release and then re-acquire main lock
Object[] newArray = null;
// CAS更新allocationSpinLock變數為1的線程獲得擴容資格
if (allocationSpinLock == 0 &&
UNSAFE.compareAndSwapInt(this, allocationSpinLockOffset,
0, 1)) {
try {
// 舊容量小於64則翻倍，舊容量大於64則增加一半
int newCap = oldCap + ((oldCap < 64) ?
(oldCap + 2) : // grow faster if small
(oldCap >> 1));
// 判斷新容量是否溢出
if (newCap - MAX_ARRAY_SIZE > 0) { // possible overflow
int minCap = oldCap + 1;
if (minCap < 0 || minCap > MAX_ARRAY_SIZE)
throw new OutOfMemoryError();
newCap = MAX_ARRAY_SIZE;
}
// 創建新數組
if (newCap > oldCap && queue == array)
newArray = new Object[newCap];
} finally {
// 相當於解鎖
allocationSpinLock = 0;
}
}
// 只有進入了上麵條件的才會滿足這個條件
// 意思是讓其它線程讓出CPU
if (newArray == null) // back off if another thread is allocating
Thread.yield();
// 再次加鎖
lock.lock();
// 判斷新數組創建成功並且舊數組沒有被替換過
if (newArray != null && queue == array) {
// 隊列賦值為新數組
queue = newArray;
// 並拷貝舊數組元素到新數組中
System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, oldCap);
}
}（1）解鎖，解除offer()方法中加的鎖；
（2）使用allocationSpinLock變數的CAS操作來控制擴容的過程；
（3）舊容量小於64則翻倍，舊容量大於64則增加一半；
（4）創建新數組；
（5）修改allocationSpinLock為0，相當於解鎖；
（6）其它線程在擴容的過程中要讓出CPU；
（7）再次加鎖；
（8）新數組創建成功，把舊數組元素拷貝過來，並返回到offer()方法中繼續添加元素操作；
出隊
阻塞隊列的出隊方法也有四個，我們這裡只分析一個take()方法：
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加鎖
lock.lockInterruptibly();
E result;
try {
// 隊列沒有元素，就阻塞在notEmpty條件上
// 出隊成功，就跳出這個迴圈
while ( (result = dequeue()) == null)
notEmpty.await();
} finally {
// 解鎖
lock.unlock();
}
// 返回出隊的元素
return result;
}
private E dequeue() {
// 元素個數減1
int n = size - 1;
if (n < 0)
// 數組元素不足，返回null
return null;
else {
Object[] array = queue;
// 彈出堆頂元素
E result = (E) array[0];
// 把堆尾元素拿到堆頂
E x = (E) array[n];
array[n] = null;
Comparator<? super E> cmp = comparator;
// 並做自上而下的堆化
if (cmp == null)
siftDownComparable(0, x, array, n);
else
siftDownUsingComparator(0, x, array, n, cmp);
// 修改size
size = n;
// 返回出隊的元素
return result;
}
}
private static <T> void siftDownComparable(int k, T x, Object[] array,
int n) {
if (n > 0) {
Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>)x;
int half = n >>> 1; // loop while a non-leaf
// 只需要遍歷到葉子節點就夠了
while (k < half) {
// 左子節點
int child = (k << 1) + 1; // assume left child is least
// 左子節點的值
Object c = array[child];
// 右子節點
int right = child + 1;
// 取左右子節點中最小的值
if (right < n &&
((Comparable<? super T>) c).compareTo((T) array[right]) > 0)
c = array[child = right];
// key如果比左右子節點都小，則堆化結束
if (key.compareTo((T) c) <= 0)
break;
// 否則，交換key與左右子節點中最小的節點的位置
array[k] = c;
k = child;
}
// 找到了放元素的位置，放置元素
array[k] = key;
}
}出隊的過程與PriorityQueue基本類似：
（1）加鎖；
（2）判斷是否出隊成功，未成功就阻塞在notEmpty條件上；
（3）出隊時彈出堆頂元素，並把堆尾元素拿到堆頂；
（4）再做自上而下的堆化；
（5）解鎖；
總結
（1）PriorityBlockingQueue整個入隊出隊的過程與PriorityQueue基本是保持一致的；
（2）PriorityBlockingQueue使用一個鎖+一個notEmpty條件控制併發安全；
（3）PriorityBlockingQueue擴容時使用一個單獨變數的CAS操作來控制只有一個線程進行擴容；
（4）入隊使用自下而上的堆化；
（5）出隊使用自上而下的堆化；
彩蛋
為什麼PriorityBlockingQueue不需要notFull條件？
因為PriorityBlockingQueue在入隊的時候如果沒有空間了是會自動擴容的，也就不存在隊列滿了的狀態，也就是不需要等待通知隊列不滿了可以放元素了，所以也就不需要notFull條件了。
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