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Java 源码 - 队列在源码方面的面试题

作者:互联网

不啰嗦,我们直接开始!


引导语

队列在源码方面的面试题,一般面试官会从锁,线程池等知识点作为问题入口,慢慢的问到队列,由于锁、线程池咱们还没有学习到,所以本章就直奔主题,从队列入手,看看队列都有哪些面试题(队列种类很多,本文在说队列的通用特征时,都是在说其大部分队列的通用特征,如有某种队列特征不符,不在一一说明)。

1、面试题

1.1、说说你对队列的理解,队列和集合的区别。

答:对队列的理解:

  1. 首先队列本身也是个容器,底层也会有不同的数据结构,比如 LinkedBlockingQueue 是底层是链表结构,所以可以维持先入先出的顺序,比如 DelayQueue 底层可以是队列或堆栈,所以可以保证先入先出,或者先入后出的顺序等等,底层的数据结构不同,也造成了操作实现不同;
  2. 部分队列(比如 LinkedBlockingQueue )提供了暂时存储的功能,我们可以往队列里面放数据,同时也可以从队列里面拿数据,两者可以同时进行;
  3. 队列把生产数据的一方和消费数据的一方进行解耦,生产者只管生产,消费者只管消费,两者之间没有必然联系,队列就像生产者和消费者之间的数据通道一样,如 LinkedBlockingQueue;
  4. 队列还可以对消费者和生产者进行管理,比如队列满了,有生产者还在不停投递数据时,队列可以使生产者阻塞住,让其不再能投递,比如队列空时,有消费者过来拿数据时,队列可以让消费者 hodler 住,等有数据时,唤醒消费者,让消费者拿数据返回,如 ArrayBlockingQueue;
  5. 队列还提供阻塞的功能,比如我们从队列拿数据,但队列中没有数据时,线程会一直阻塞到队列有数据可拿时才返回。

队列和集合的区别:

  1. 和集合的相同点,队列(部分例外)和集合都提供了数据存储的功能,底层的储存数据结构是有些相似的,比如说 LinkedBlockingQueue 和 LinkedHashMap 底层都使用的是链表,ArrayBlockingQueue 和 ArrayList 底层使用的都是数组。

  2. 和集合的区别:

    2.1 部分队列和部分集合底层的存储结构很相似的,但两者为了完成不同的事情,提供的 API 和其底层的操作实现是不同的。

    2.2 队列提供了阻塞的功能,能对消费者和生产者进行简单的管理,队列空时,会阻塞消费者,有其他线程进行 put 操作后,会唤醒阻塞的消费者,让消费者拿数据进行消费,队列满时亦然。

    2.3 解耦了生产者和消费者,队列就像是生产者和消费者之间的管道一样,生产者只管往里面丢,消费者只管不断消费,两者之间互不关心。

1.2、哪些队列具有阻塞的功能,大概是如何阻塞的?

答:队列主要提供了两种阻塞功能,如下:

  1. LinkedBlockingQueue 链表阻塞队列和 ArrayBlockingQueue 数组阻塞队列是一类,前者容量是 Integer 的最大值,后者数组大小固定,两个阻塞队列都可以指定容量大小,当队列满时,如果有线程 put 数据,线程会阻塞住,直到有其他线程进行消费数据后,才会唤醒阻塞线程继续 put,当队列空时,如果有线程 take 数据,线程会阻塞到队列不空时,继续 take。
  2. SynchronousQueue 同步队列,当线程 put 时,必须有对应线程把数据消费掉,put 线程才能返回,当线程 take 时,需要有对应线程进行 put 数据时,take 才能返回,反之则阻塞,举个例子,线程 A put 数据 A1 到队列中了,此时并没有任何的消费者,线程 A 就无法返回,会阻塞住,直到有线程消费掉数据 A1 时,线程 A 才能返回。

1.3、底层是如何实现阻塞的?

答:队列本身并没有实现阻塞的功能,而是利用 Condition 的等待唤醒机制,阻塞底层实现就是更改线程的状态为沉睡,细节我们在锁小节会说到。

1.4 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue 有啥区别。

答:相同点:

  1. 两者的阻塞机制大体相同,比如在队列满、空时,线程都会阻塞住。

不同点:

  1. LinkedBlockingQueue 底层是链表结构,容量默认是 Interge 的最大值,ArrayBlockingQueue 底层是数组,容量必须在初始化时指定。
  2. 两者的底层结构不同,所以 take、put、remove 的底层实现也就不同。

1.5、往队列里面 put 数据是线程安全的么?为什么?

答:是线程安全的,在 put 之前,队列会自动加锁,put 完成之后,锁会自动释放,保证了同一时刻只会有一个线程能操作队列的数据,以 LinkedBlockingQueue 为例子,put 时,会加 put 锁,并只对队尾 tail 进行操作,take 时,会加 take 锁,并只对队头 head 进行操作,remove 时,会同时加 put 和 take 锁,所以各种操作都是线程安全的,我们工作中可以放心使用。

1.6 take 的时候也会加锁么?既然 put 和 take 都会加锁,是不是同一时间只能运行其中一个方法。

答:1:是的,take 时也会加锁的,像 LinkedBlockingQueue 在执行 take 方法时,在拿数据的同时,会把当前数据删除掉,就改变了链表的数据结构,所以需要加锁来保证线程安全。

        2:这个需要看情况而言,对于 LinkedBlockingQueue 来说,队列的 put 和 take 都会加锁,但两者的锁是不一样的,所以两者互不影响,可以同时进行的,对于 ArrayBlockingQueue 而言,put 和 take 是同一个锁,所以同一时刻只能运行一个方法。

1.7 工作中经常使用队列的 put、take 方法有什么危害,如何避免。

答:当队列满时,使用 put 方法,会一直阻塞到队列不满为止。

当队列空时,使用 take 方法,会一直阻塞到队列有数据为止。

两个方法都是无限(永远、没有超时时间的意思)阻塞的方法,容易使得线程全部都阻塞住,大流量时,导致机器无线程可用,所以建议在流量大时,使用 offer 和 poll 方法来代替两者,我们只需要设置好超时阻塞时间,这两个方法如果在超时时间外,还没有得到数据的话,就会返回默认值(LinkedBlockingQueue 为例),这样就不会导致流量大时,所有的线程都阻塞住了。

这个也是生产事故常常发生的原因之一,尝试用 put 和 take 方法,在平时自测中根本无法发现,对源码不熟悉的同学也不会意识到会有问题,当线上大流量打进来时,很有可能会发生故障,所以我们平时工作中使用队列时,需要谨慎再谨慎。

1.8、把数据放入队列中后,有木有办法让队列过一会儿再执行?

答:可以的,DelayQueue 提供了这种机制,可以设置一段时间之后再执行,该队列有个唯一的缺点,就是数据保存在内存中,在重启和断电的时候,数据容易丢失,所以定时的时间我们都不会设置很久,一般都是几秒内,如果定时的时间需要设置很久的话,可以考虑采取延迟队列中间件(这种中间件对数据会进行持久化,不怕断电的发生)进行实现。

1.9、DelayQueue 对元素有什么要求么,我把 String 放到队列中去可以么?

答:DelayQueue 要求元素必须实现 Delayed 接口,Delayed 本身又实现了 Comparable 接口,Delayed 接口的作用是定义还剩下多久就会超时,给使用者定制超时时间的,Comparable 接口主要用于对元素之间的超时时间进行排序的,两者结合,就可以让越快过期的元素能够排在前面。

所以把 String 放到 DelayQueue 中是不行的,编译都无法通过,DelayQueue 类在定义的时候,是有泛型定义的,泛型类型必须是 Delayed 接口的子类才行。

1.10 DelayQueue 如何让快过期的元素先执行的?

答:DelayQueue 中的元素都实现 Delayed 和 Comparable 接口的,其内部会使用 Comparable 的 compareTo 方法进行排序,我们可以利用这个功能,在 compareTo 方法中实现过期时间和当前时间的差,这样越快过期的元素,计算出来的差值就会越小,就会越先被执行。

1.11、如何查看 SynchronousQueue 队列的大小?

答:此题是个陷进题,题目首先设定了 SynchronousQueue 是可以查看大小的,实际上 SynchronousQueue 本身是没有容量的,所以也无法查看其容量的大小,其内部的 size 方法都是写死的返回 0。

1.12 SynchronousQueue 底层有几种数据结构,两者有何不同?

答:底层有两种数据结构,分别是队列和堆栈。

两者不同点:

  1. 队列维护了先入先出的顺序,所以最先进去队列的元素会最先被消费,我们称为公平的,而堆栈则是先入后出的顺序,最先进入堆栈中的数据可能会最后才会被消费,我们称为不公平的。
  2. 两者的数据结构不同,导致其 take 和 put 方法有所差别,具体的可以看 《 SynchronousQueue 源码解析 》章节。

1.13 假设 SynchronousQueue 底层使用的是堆栈,线程 1 执行 take 操作阻塞住了,然后有线程 2 执行 put 操作,问此时线程 2 是如何把 put 的数据传递给 take 的?

答:这是一个好问题,也是理解 SynchronousQueue 的核心问题。

首先线程 1 被阻塞住,此时堆栈头就是线程 1 了,此时线程 2 执行 put 操作,会把 put 的数据赋值给堆栈头的 match 属性,并唤醒线程 1,线程 1 被唤醒后,拿到堆栈头中的 match 属性,就能够拿到 put 的数据了。

严格上说并不是 put 操作直接把数据传递给了 take,而是 put 操作改变了堆栈头的数据,从而 take 可以从堆栈头上直接拿到数据,堆栈头是 take 和 put 操作之间的沟通媒介。

1.14 如果想使用固定大小的队列,有几种队列可以选择,有何不同?

答:可以使用 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue 两种队列。

前者是链表,后者是数组,链表新增时,只要建立起新增数据和链尾数据之间的关联即可,数组新增时,需要考虑到索引的位置(takeIndex 和 putIndex 分别记录着下次拿数据、放数据的索引位置),如果增加到了数组最后一个位置,下次就要重头开始新增。

1.15 ArrayBlockingQueue 可以动态扩容么?用到数组最后一个位置时怎么办?

答:不可以的,虽然 ArrayBlockingQueue 底层是数组,但不能够动态扩容的。

假设 put 操作用到了数组的最后一个位置,那么下次 put 就需要从数组 0 的位置重新开始了。

假设 take 操作用到数组的最后一个位置,那么下次 take 的时候也会从数组 0 的位置重新开始。

1.16 ArrayBlockingQueue take 和 put 都是怎么找到索引位置的?是利用 hash 算法计算得到的么?

答:ArrayBlockingQueue 有两个属性,为 takeIndex 和 putIndex,分别标识下次 take 和 put 的位置,每次 take 和 put 完成之后,都会往后加一,虽然底层是数组,但和 HashMap 不同,并不是通过 hash 算法计算得到的。

2、总结

队列是锁、线程池等复杂 API 的基础,很多面试官都会在问这些 API 时冷不防的问你队列的知识,如果你回答不好,面试官可能会认为你仅仅是用过锁和线程池,但却对其底层的原理和实现了解的不够全面,所以说队列还是蛮重要的,但队列的源码比较复杂,建议大家可以尝试 debug 的方式来理解源码。

不啰嗦,文章结束,建议三连!

标签:面试题,Java,队列,阻塞,源码,线程,take,put,数据
来源: https://blog.csdn.net/qq_34272760/article/details/120539184