集合-PriorityBlockingQueue 源码解析
问题
（1）PriorityBlockingQueue的实现方式？
（2）PriorityBlockingQueue是否需要扩容？
（3）PriorityBlockingQueue是怎么控制并发安全的？
简介
PriorityBlockingQueue是java并发包下的优先级阻塞队列，它是线程安全的，如果让你来实现你会怎么实现它呢？
还记得我们前面介绍过的PriorityQueue吗？点击链接直达【死磕 java集合之PriorityQueue源码分析】
源码分析
主要属性
// 默认容量为11 private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11; // 最大数组大小 private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8; // 存储元素的地方 private transient Object[] queue; // 元素个数 private transient int size; // 比较器 private transient Comparator<? super E> comparator; // 重入锁 private final ReentrantLock lock; // 非空条件 private final Condition notEmpty; // 扩容的时候使用的控制变量，CAS更新这个值，谁更新成功了谁扩容，其它线程让出CPU private transient volatile int allocationSpinLock; // 不阻塞的优先级队列，非存储元素的地方，仅用于序列化/反序列化时 private PriorityQueue<E> q;
（1）依然是使用一个数组来使用元素；
（2）使用一个锁加一个notEmpty条件来保证并发安全；
（3）使用一个变量的CAS操作来控制扩容；
为啥没有notFull条件呢？
主要构造方法
// 默认容量为11 public PriorityBlockingQueue() { this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, null); } // 传入初始容量 public PriorityBlockingQueue(int initialCapacity) { this(initialCapacity, null); } // 传入初始容量和比较器 // 初始化各变量 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]; }
入队
每个阻塞队列都有四个方法，我们这里只分析一个offer(E e)方法：
public boolean offer(E e) { // 元素不能为空 if (e == null) throw new NullPointerException(); final ReentrantLock lock = this.lock; // 加锁 lock.lock(); int n, cap; Object[] array; // 判断是否需要扩容，即元素个数达到了数组容量 while ((n = size) >= (cap = (array = queue).length)) tryGrow(array, cap); try { Comparator<? super E> cmp = comparator; // 根据是否有比较器选择不同的方法 if (cmp == null) siftUpComparable(n, e, array); else siftUpUsingComparator(n, e, array, cmp); // 插入元素完毕，元素个数加1 size = n + 1; // 唤醒notEmpty条件 notEmpty.signal(); } finally { // 解锁 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) { // 取父节点 int parent = (k - 1) >>> 1; // 父节点的元素值 Object e = array[parent]; // 如果key大于父节点，堆化结束 if (key.compareTo((T) e) >= 0) break; // 否则，交换二者的位置，继续下一轮比较 array[k] = e; k = parent; } // 找到了应该放的位置，放入元素 array[k] = key; }
入队的整个操作跟PriorityQueue几乎一致：
（1）加锁；
（2）判断是否需要扩容；
（3）添加元素并做自下而上的堆化；
（4）元素个数加1并唤醒notEmpty条件，唤醒取元素的线程；
（5）解锁；
扩容
private void tryGrow(Object[] array, int oldCap) { // 先释放锁，因为是从offer()方法的锁内部过来的 // 这里先释放锁，使用allocationSpinLock变量控制扩容的过程 // 防止阻塞的线程过多 lock.unlock(); // must release and then re-acquire main lock Object[] newArray = null; // CAS更新allocationSpinLock变量为1的线程获得扩容资格 if (allocationSpinLock == 0 && UNSAFE.compareAndSwapInt(this, allocationSpinLockOffset, 0, 1)) { try { // 旧容量小于64则翻倍，旧容量大于64则增加一半 int newCap = oldCap + ((oldCap < 64) ? (oldCap + 2) : // grow faster if small (oldCap >> 1)); // 判断新容量是否溢出 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; } // 创建新数组 if (newCap > oldCap && queue == array) newArray = new Object[newCap]; } finally { // 相当于解锁 allocationSpinLock = 0; } } // 只有进入了上面条件的才会满足这个条件 // 意思是让其它线程让出CPU if (newArray == null) // back off if another thread is allocating Thread.yield(); // 再次加锁 lock.lock(); // 判断新数组创建成功并且旧数组没有被替换过 if (newArray != null && queue == array) { // 队列赋值为新数组 queue = newArray; // 并拷贝旧数组元素到新数组中 System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, oldCap); } }
（1）解锁，解除offer()方法中加的锁；
（2）使用allocationSpinLock变量的CAS操作来控制扩容的过程；
（3）旧容量小于64则翻倍，旧容量大于64则增加一半；
（4）创建新数组；
（5）修改allocationSpinLock为0，相当于解锁；
（6）其它线程在扩容的过程中要让出CPU；
（7）再次加锁；
（8）新数组创建成功，把旧数组元素拷贝过来，并返回到offer()方法中继续添加元素操作；
出队
阻塞队列的出队方法也有四个，我们这里只分析一个take()方法：
public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock; // 加锁 lock.lockInterruptibly(); E result; try { // 队列没有元素，就阻塞在notEmpty条件上 // 出队成功，就跳出这个循环 while ( (result = dequeue()) == null) notEmpty.await(); } finally { // 解锁 lock.unlock(); } // 返回出队的元素 return result; } private E dequeue() { // 元素个数减1 int n = size - 1; if (n < 0) // 数组元素不足，返回null return null; else { Object[] array = queue; // 弹出堆顶元素 E result = (E) array[0]; // 把堆尾元素拿到堆顶 E x = (E) array[n]; array[n] = null; Comparator<? super E> cmp = comparator; // 并做自上而下的堆化 if (cmp == null) siftDownComparable(0, x, array, n); else siftDownUsingComparator(0, x, array, n, cmp); // 修改size size = n; // 返回出队的元素 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 // 只需要遍历到叶子节点就够了 while (k < half) { // 左子节点 int child = (k << 1) + 1; // assume left child is least // 左子节点的值 Object c = array[child]; // 右子节点 int right = child + 1; // 取左右子节点中最小的值 if (right < n && ((Comparable<? super T>) c).compareTo((T) array[right]) > 0) c = array[child = right]; // key如果比左右子节点都小，则堆化结束 if (key.compareTo((T) c) <= 0) break; // 否则，交换key与左右子节点中最小的节点的位置 array[k] = c; k = child; } // 找到了放元素的位置，放置元素 array[k] = key; } }
出队的过程与PriorityQueue基本类似：
（1）加锁；
（2）判断是否出队成功，未成功就阻塞在notEmpty条件上；
（3）出队时弹出堆顶元素，并把堆尾元素拿到堆顶；
（4）再做自上而下的堆化；
（5）解锁；
总结
（1）PriorityBlockingQueue整个入队出队的过程与PriorityQueue基本是保持一致的；
（2）PriorityBlockingQueue使用一个锁+一个notEmpty条件控制并发安全；
（3）PriorityBlockingQueue扩容时使用一个单独变量的CAS操作来控制只有一个线程进行扩容；
（4）入队使用自下而上的堆化；
（5）出队使用自上而下的堆化；
彩蛋
为什么PriorityBlockingQueue不需要notFull条件？
因为PriorityBlockingQueue在入队的时候如果没有空间了是会自动扩容的，也就不存在队列满了的状态，也就是不需要等待通知队列不满了可以放元素了，所以也就不需要notFull条件了。
