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PriorityBlockingQueue在java中的原理

舞姬之光

舞姬之光

发布时间:2025-12-18 16:15:07

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来源于php中文网

原创

priorityblockingqueue基于无界最小堆、显式锁和条件等待实现线程安全优先级队列:数组模拟完全二叉树,插入上浮、删除下沉,o(log n)时间复杂度;默认自然序或自定义comparator;无界扩容(初始11,

priorityblockingqueue在java中的原理

PriorityBlockingQueue 的核心原理是:用**无界二叉堆 + 显式锁 + 条件等待**,实现线程安全的优先级排序与阻塞行为。

基于最小堆的优先级排序

它底层用数组模拟完全二叉树(默认最小堆),保证堆顶元素始终是优先级最高(即最小)的元素。插入时执行“上浮”(sift-up),从末尾开始比较父节点,一路交换直到满足堆序;出队时取走堆顶,用最后一个元素补位,再“下沉”(sift-down)调整位置。整个过程不全排序,只维护父子关系,所以时间复杂度为 O(log n),远优于每次遍历找最大值。

  • 默认按元素自然顺序(Comparable)排序;也可传入 Comparator 自定义优先级规则
  • 同优先级元素不保证 FIFO 顺序,这是堆结构的固有特性
  • 直接遍历 queue 数组看到的是堆序数组,不是逻辑上的有序序列

无界设计与动态扩容

它初始容量为 11,但没有固定上限——当数组满时会自动扩容。扩容策略是:size 。为避免扩容期间长期持锁影响并发性能,它先释放主锁,用 CAS 控制仅一个线程执行扩容(通过 allocationSpinLock 字段),扩容完再重新加锁复制数据。

  • 写操作(如 offer/put)几乎永不阻塞,只在内存耗尽时抛 OOM
  • 因此不适合写压极高且内存受限的场景,否则可能撑爆堆内存
  • 最大容量为 Integer.MAX_VALUE − 8,是 JVM 层面的硬限制

线程安全与阻塞机制

所有关键操作(offer、poll、take、remove 等)都由一把 ReentrantLock 保护,确保修改 queue 数组和 size 的原子性。消费者调用 take() 时若队列为空,会在 notEmpty 条件变量 上 await;生产者插入成功后立即 signal 唤醒等待线程。注意:它只有 notEmpty,没有 notFull —— 因为写不阻塞。

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  • 读写共用同一把锁,但扩容阶段短暂释放,提升吞吐
  • take() 和带超时的 poll(long, TimeUnit) 支持阻塞等待,适合生产者-消费者模型
  • peek() 不移除也不阻塞,只是安全返回堆顶引用

不能忽略的关键约束

元素必须可比较,否则运行时报 NullPointerException 或 ClassCastException:

  • 要么实现 Comparable 接口(自然序)
  • 要么构造时显式传入 Comparator
  • null 元素禁止插入,offer/take 等方法遇到 null 直接抛 NPE

基本上就这些。它不是万能调度器,但作为轻量、线程安全、支持优先级的缓冲容器,在任务调度、告警分级、资源抢占等场景中非常实用。

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