Java/Android中的优先级任务队列的实践

Posted 2020-09-18 严振杰

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刚刚把公司的活干完，去群里水，有几个小伙伴问我怎么实现队列，于是乎我来写一篇吧。本篇文章适用于Java和android开发者，会从实现一个最简单的队列过渡到实现一个带有优先级的队列，保准你可以掌握基本的队列原理。

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队列的基本理解

用生活中的一个情景来举个栗子，前段时间很火爆的电视剧《人民的名义》中有一个丁义珍式的窗口大家应该都知道了，我们不说《人民的名义》也不说丁义珍，我们来说说这个办事窗口。

我们知道在某机构上班期间，窗口一直是开着的，有人去办事了窗口就开始做事，没人办事了窗口就处于等待的状态，如果去办事的人特别多，这些办事的人就必须排队（我特别讨厌在要排队的地方不排队的人，呼吁大家如果不是性命攸关的急事，一定要排队，谁不想早点办完事呢），窗口也可能是多个，而这些窗口中也可能有一些特别窗口，比如军人优先办理。

在说队列之前说两个名词：Task是任务，TaskExecutor是任务执行器。

而我们今天要说的队列就完全符合某机构这个情况，队列在有Task进来的时候TaskExecutor就立刻开始执行Task，当没有Task的时候TaskExecutor就处于一个阻塞状态，当有很多Task的时候Task也需要排队，TaskExecutor也可以是多个，并且可以指定某几个Task优先执行或者滞后执行。

综上所说我们得出一个这样的关系：队列相当于某机构，TaskExecutor相当于窗口，办事者就是Task。

本文源码下载地址：
http://download.csdn.net/detail/yanzhenjie1003/9841188
项目源码使用IDEA写的，你可以直接import到你的IDEA，或者把源码直接拷贝到Eclipse或者AndroidStudio。

普通队列

当然很多机构也没有设置什么军人优先的窗口，所以队列也有不带优先级的队列，因此我们先来实现一个非优先级的队列。

我们常用的队列接口有：Queue<E>、BlockingQueue<E>，基于上面我们说的特点，我们用BlockingQueue<E>来实现任务队列，BlockingQueue<E>的实现有很多，这里我们选择LinkedBlockingQueue<E>。

和上述某机构不一样，某机构可以先有机构，再有窗口，再有办事者。但是我们写代码的时候，要想写一个队列，那么务必要在队列中写TaskExecutor，那么就得先写好TaskExecutor类，以此类推就得先有Task类。

因此我们先写一个Task的接口，也就是办事的人，我把它设计为接口，方便办各种不同事的人进来：

// 办事的人。
public interface ITask {

    // 办事，我们把办事的方法给办事的人，也就是你要办什么事，由你自己决定。
    void run();
}

接下来再写一个TaskExecutor的类，也就是窗口，用来执行Task，认真看注释，非常有助于理解：

// 窗口
public class TaskExecutor extends Thread {

    // 在窗口拍的队，这个队里面是办事的人。
    private BlockingQueue<ITask> taskQueue;

    // 这个办事窗口是否在等待着办事。
    private boolean isRunning = true;

    public TaskExecutor(BlockingQueue<ITask> taskQueue) {
        this.taskQueue = taskQueue;
    }

    // 下班。
    public void quit() {
        isRunning = false;
        interrupt();
    }

    @Override
    public void run() {
        while (isRunning) { // 如果是上班状态就待着。
            ITask iTask;
            try {
                iTask = taskQueue.take(); // 叫下一个办事的人进来，没有人就等着。
            } catch (InterruptedException e) {
                if (!isRunning) {
                    // 发生意外了，是下班状态的话就把窗口关闭。
                    interrupt();
                    break; // 如果执行到break，后面的代码就无效了。
                }
                // 发生意外了，不是下班状态，那么窗口继续等待。
                continue;
            }

            // 为这个办事的人办事。
            iTask.run();
        }
    }
}

这里要稍微解释下BlockingQueue<T>#take()方法，这个方法当队列里面的item为空的时候，它会一直处于阻塞状态，当队列中进入item的时候它会立刻有一个返回值，它就和ServerSocket.accept()方法一样，所以我们把它放入一个Thread中，以免阻塞调用它的线程（Android中可能是主线程）。

办事的人和窗口都有了，下面我们封装一个队列，也就是某机构，用来管理这些窗口：

// 某机构。
public class TaskQueue {

    // 某机构排的队，队里面是办事的人。
    private BlockingQueue<ITask> mTaskQueue;
    // 好多窗口。
    private TaskExecutor[] mTaskExecutors;

    // 在开发者new队列的时候，要指定窗口数量。
    public TaskQueue(int size) {
        mTaskQueue = new LinkedBlockingQueue<>();
        mTaskExecutors = new TaskExecutor[size];
    }

    // 开始上班。
    public void start() {
        stop();
        // 把各个窗口都打开，让窗口开始上班。
        for (int i = 0; i < mTaskExecutors.length; i++) {
            mTaskExecutors[i] = new TaskExecutor(mTaskQueue);
            mTaskExecutors[i].start();
        }
    }

    // 统一各个窗口下班。
    public void stop() {
        if (mTaskExecutors != null)
            for (TaskExecutor taskExecutor : mTaskExecutors) {
                if (taskExecutor != null) taskExecutor.quit();
            }
    }

    // 开一个门，让办事的人能进来。
    public <T extends ITask> int add(T task) {
        if (!mTaskQueue.contains(task)) {
            mTaskQueue.add(task);
        }
        // 返回排的队的人数，公开透明，让外面的人看的有多少人在等着办事。
        return mTaskQueue.size();
    }
}

某机构、窗口、办事的人都有了，下面我们就派一个人去一件具体的事，但是上面我的Task是一个接口，所以我们需要用一个类来实现这个接口，来做某一件事：

// 做一件打印自己的id的事。
public class PrintTask implements ITask {

    private int id;

    public PrintTask(int id) {
        this.id = id;
    }

    @Override
    public void run() {
        // 为了尽量模拟窗口办事的速度，我们这里停顿两秒。
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException ignored) {
        }

        System.out.println("我的id是：" + id);
    }
}

下面就让我们模拟的虚拟世界运行一次：

public class Main {

    public static void main(String... args) {
        // 这里暂时只开一个窗口。
        TaskQueue taskQueue = new TaskQueue(1);
        taskQueue.start();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            PrintTask task = new PrintTask(i);
            taskQueue.add(task);
        }
    }

}

没错，队列按照我们理想的状况打印出来了：

我的id是：0
我的id是：1
我的id是：2
我的id是：3
我的id是：4
我的id是：5
我的id是：6
我的id是：7
我的id是：8
我的id是：9

上面我门只开了一个窗口，下面我多开几个窗口：

public class Main {

    public static void main(String... args) {
        // 开三个窗口。
        TaskQueue taskQueue = new TaskQueue(3);
        taskQueue.start(); // 某机构开始工作。

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            // new 10 个需要办事的人，并且进入某机构办事。
            PrintTask task = new PrintTask(i);
            taskQueue.add(task);
        }
    }
}

这里要说明一下，在初始化的时候我们开了3个窗口，内部的顺序应该是这样的：

当某机构的大门开了以后，第一个办事的人进去到了第一个窗口，第二个办事的人进去到了第二个窗口，第三个办事的人进去到了第三个窗口，第四个办事的人进去排队在第一位，当第一、第二、第三个窗口中不论哪一个窗口的事办完了，第四个人就去哪一个窗口继续办事，第五个人等待，一次类推。这样子就达到了队列同事并发三个任务的效果。

这就是一个普通的队列，其它的一些特性也是基于此再次封装的，那么下面我就基于此再把人物的优先级加上，也就是我们上面说的特殊窗口->军人优先！

优先级队列

我们排队等待办事的时候，来了一个办事的人，那么如何判断这个办事人是否可以优先办理呢？那就要判断它是否具有优先的权限甚至他可以优先到什么程度。

所以我们需要让这个Task有一标志，那就是优先级，所以我用一个枚举类标记优先级：

public enum Priority {
    LOW, // 最低。
    DEFAULT, // 默认级别。
    HIGH, // 高于默认级别。
    Immediately // 立刻执行。
}

这里我把分了四个等级：最低、默认、高、立刻，这个等级肯定要给到我们的办事的人，也就是Task：

public interface ITask {

    void run();

    void setPriority(Priority priority);

    Priority getPriority();
}

可以设置优先级和可以拿到优先级。

下面我们要把上面的LinkedBlockingQueue替换成PriorityBlockingQueue<E>，因为它可以自动做到优先级的比较，它要求泛型<E>，也就是我们的Task必须实现Comparable<E>接口，而Comparable<E>有一个compareTo(E)方法可以对两个<T>做比较，因此我们的队列需要改一下实现的方法：

// 某机构。
public class TaskQueue {

    // 某机构排的队，队里面是办事的人。
    private BlockingQueue<ITask> mTaskQueue;
    // 好多窗口。
    private TaskExecutor[] mTaskExecutors;

    // 在开发者new队列的时候，要指定窗口数量。
    public TaskQueue(int size) {
        mTaskQueue = new PriorityBlockingQueue<>();
        mTaskExecutors = new TaskExecutor[size];
    }

    ...

然后ITask接口继承Comparable<E>接口：

public interface ITask extends Comparable<ITask> {

    void run();

    void setPriority(Priority priority);

    Priority getPriority();
}

因为有setPriority(Priority)方法和getPriority()方法和Comparable<E>的compareTo(E)方法，所以我们的每一个Task都需要实现这几个方法，这样就会很麻烦，所以我们封装一个BasicTask:

public abstract class BasicTask implements ITask {

    // 默认优先级。
    private Priority priority = Priority.DEFAULT;

    @Override
    public void setPriority(Priority priority) {
        this.priority = priority;
    }

    @Override
    public Priority getPriority() {
        return priority;
    }

    // 做优先级比较。
    @Override
    public int compareTo(ITask another) {
        final Priority me = this.getPriority();
        final Priority it = another.getPriority();
        return me == it ? [...] : it.ordinal() - me.ordinal();
    }
}

其它都好说，我们看到compareTo(E)方法就不太理解了，这里说一下这个方法：

compareTo(E)中传进来的E是另一个Task，如果当前Task比另一个Task更靠前就返回负数，如果比另一个Task靠后，那就返回正数，如果优先级相等，那就返回0。

这里要特别注意，我们看到上面当两个Task优先级不一样的时候调用了Priority.orinal()方法，并有后面的orinal减去了当前的orinal，怎么理解呢？首先要理解Priority.orinal()方法，在Java中每一个枚举值都有这个方法，这个枚举的值是它的下标+1，也就是[index + 1]，所以我们写的Priority类其实可以这样理解：

public enum Priority {
    1,
    2,
    3,
    4
}

继续，如果给当前Task比较低，给compareTo(E)中的Task设置的优先级别比较高，那么Priority不一样，那么返回的值就是整数，因此当前Task就会被PriorityBlockingQueue<E>排到后面，如果调换那么返回结果也就调换了。

但是我们注意到me == it ? [...] : it.ordinal() - me.ordinal();中的[...]是什么鬼啊？因为这里缺一段代码呀哈哈哈（这个作者怎么傻乎乎的），这一段代码的意思是当优先级别一样的时候怎么办，那就是谁先加入队列谁排到前面呗，那么怎样返回值呢，我们怎么知道哪个Task先加入队列呢？这个时候可爱的我就出现了，我给它给一个序列标记它什么时候加入队列的不久完事了，于是我们可以修改下ITask接口，增加两个方法：

public interface ITask extends Comparable<ITask> {

    void run();

    void setPriority(Priority priority);

    Priority getPriority();

    void setSequence(int sequence);

    int getSequence();
}

我们用setSequence(int)标记它加入队列的顺序，然后因为setSequence(int)和getSequence()是所有Task都需要实现的，所以我们在BasicTask中实现这两个方法：

public abstract class BasicTask implements ITask {

    // 默认优先级。
    private Priority priority = Priority.DEFAULT;
    private int sequence;

    @Override
    public void setPriority(Priority priority) {
        this.priority = priority;
    }

    @Override
    public Priority getPriority() {
        return priority;
    }

    @Override
    public void setSequence(int sequence) {
        this.sequence = sequence;
    }

    @Override
    public int getSequence() {
        return sequence;
    }

    // 做优先级比较。
    @Override
    public int compareTo(ITask another) {
        final Priority me = this.getPriority();
        final Priority it = another.getPriority();
        return me == it ?  this.getSequence() - another.getSequence() :
            it.ordinal() - me.ordinal();
    }
}

看到了吧，刚才的[...]已经变成了this.getSequence() - another.getSequence()，这里需要和上面的it.ordinal() - me.ordinal();的逻辑对应，上面说到如果给当前Task比较低，给compareTo(E)中的Task设置的优先级别比较高，那么Priority不一样，那么返回的值就是整数，因此当前Task就会被PriorityBlockingQueue<E>排到后面，如果调换那么返回结果也就调换了。

这里的逻辑和上面对应就是和上面的逻辑相反，因为这里是当两个优先级一样时的返回，上面是两个优先级不一样时的返回，所以当优先级别一样时，返回负数表示当前Task在前，返回正数表示当前Task在后，正好上面上的逻辑对应。

接下来就是给Task设置序列了，于是我们在TaskQueue中的T void add(T)方法做个手脚：

public class TaskQueue {

    private AtomicInteger mAtomicInteger = new AtomicInteger();

    ...

    public TaskQueue(int size) {
        ...
    }

    public void start() {
        ...
    }

    public void stop() {
        ...
    }

    public <T extends ITask> int add(T task) {
        if (!mTaskQueue.contains(task)) {
            task.setSequence(mAtomicInteger.incrementAndGet()); // 注意这行。
            mTaskQueue.add(task);
        }
        return mTaskQueue.size();
    }
}

这里我们使用了AtomicInteger类，它的incrementAndGet()方法会每次递增1，其实它相当于：

mAtomicInteger.addAndGet(1);

其它具体用法请自行搜索，这里不再赘述。

到此为止，我们的优先级别的队列就实现完毕了，我们来做下测试：

public static void main(String... args) {
    // 开一个窗口，这样会让优先级更加明显。
    TaskQueue taskQueue = new TaskQueue(1);
    taskQueue.start(); //  // 某机构开始工作。

    // 为了显示出优先级效果，我们预添加3个在前面堵着，让后面的优先级效果更明显。
    taskQueue.add(new PrintTask(110));
    taskQueue.add(new PrintTask(112));
    taskQueue.add(new PrintTask(122));

    for (int i = 0; i < 10; i++) { // 从第0个人开始。
    PrintTask task = new PrintTask(i);
    if (1 == i) { 
        task.setPriority(Priority.LOW); // 让第2个进入的人最后办事。
    } else if (8 == i) {
        task.setPriority(Priority.HIGH); // 让第9个进入的人第二个办事。
    } else if (9 == i) {
        task.setPriority(Priority.Immediately); // 让第10个进入的人第一个办事。
    } 
    // ... 其它进入的人，按照进入顺序办事。
    taskQueue.add(task);
}

没错这就是我们看到的效果：

我的id是：9
我的id是：8
我的id是：110
我的id是：112
我的id是：122
我的id是：0
我的id是：2
我的id是：3
我的id是：4
我的id是：5
我的id是：6
我的id是：7
我的id是：1

到这里就结束啦，本文源码下载地址：
http://download.csdn.net/detail/yanzhenjie1003/9841188
项目源码使用IDEA写的，你可以直接import到你的IDEA，或者把源码直接拷贝到Eclipse或者AndroidStudio。

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