golang優(yōu)先級隊列的實現(xiàn)全過程
前言
在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，隊列遵循著FIFO（先進先出）的規(guī)則。在此基礎(chǔ)上，人們引申出了“優(yōu)先級隊列”的概念。
優(yōu)先級隊列，是帶有優(yōu)先級屬性的隊列，所有的隊列元素按照優(yōu)先級進行排序，消費者會先對優(yōu)先級高的隊列元素進行處理。
優(yōu)先級隊列的使用場景也是非常多的。比如，作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)，當(dāng)一個作業(yè)完成后，需要從剩下的作業(yè)中取出優(yōu)先級最高的作業(yè)進行處理。又比如，一個商城的用戶分為普通用戶和vip用戶，vip用戶更容易搶到那些秒殺商品。
在本文中，我將和大家一起探討，golang優(yōu)先級隊列的一種實現(xiàn)方案。
你可以收獲
- golang切片特性
- golang map特性
- golang并發(fā)場景下的解決方案
- golang優(yōu)先級隊列的實現(xiàn)思路
正文
內(nèi)容脈絡(luò)
為了讓大家腦海里有個大致的輪廓，我先把正文的大綱展示出來。
基礎(chǔ)知識
在正式開始“優(yōu)先級隊列”這個話題之前，我們首先要明確以下的一些golang特性。
切片的特性
- 元素的有序性
- 非線程安全
map的特性
- 元素的無序性
- 非線程安全
并發(fā)場景下的解決方案
- 互斥鎖：可以對非線程安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)創(chuàng)建臨界區(qū)，一般用于同步場景；
- 管道：可以對非線程安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行異步處理
實現(xiàn)思路
既然，我們了解了golang的一些特性，那么，我們接下來就要明確，如何去實現(xiàn)優(yōu)先級隊列了。
我們都知道，無論是哪一種隊列，必然是存在生產(chǎn)者和消費者兩個部分，對于優(yōu)先級隊列來說，更是如此。因此，咱們的實現(xiàn)思路，也將從這兩個部分來談。
1、生產(chǎn)者
對于生產(chǎn)者來說，他只需要推送一個任務(wù)及其優(yōu)先級過來，咱們就得根據(jù)優(yōu)先級處理他的任務(wù)。
由于，我們不大好判斷，到底會有多少種不同的優(yōu)先級傳過來，也無法確定，每種優(yōu)先級下有多少個任務(wù)要處理，所以，我們可以考慮使用map來存儲優(yōu)先級隊列。其中key為優(yōu)先級，value為屬于該優(yōu)先級下的任務(wù)隊列（即管道） 。
2、消費者
對于消費者來說，他需要獲取優(yōu)先級最高的任務(wù)進行消費。
但是，如果只按照上面所說的map來存儲優(yōu)先級隊列的話，我們是沒法找到優(yōu)先級最高的任務(wù)隊列的，因為map的元素是無序的。那么，我們怎么處理這個問題呢？
我們都知道，在golang的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里，切片的元素是具有有序性的。那么，我們只需要將所有的優(yōu)先級按從小到大的方式，存儲在一個切片里，就可以了。等到消費的時候，我們可以先從切片中，取出最大的優(yōu)先級，然后再根據(jù)這個key去優(yōu)先級隊列的map中查詢，是不是就可以了？
目標(biāo)規(guī)劃
想好了實現(xiàn)思路之后，我們就得對接下來的代碼實現(xiàn)做一個規(guī)劃了。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
- 存儲優(yōu)先級隊列的map
- 存儲優(yōu)先級的切片
- 互斥鎖
- 其他......
生產(chǎn)者
- 添加任務(wù)到優(yōu)先級隊列
消費者
- 從優(yōu)先級隊列獲取任務(wù)
步步為營
1、數(shù)據(jù)流
（1）調(diào)用NewPriorityQueue() ，初始化優(yōu)先級隊列對象。
（2）初始化優(yōu)先級隊列map。
（3）開啟協(xié)程，監(jiān)聽一個接收推送任務(wù)的全局管道pushChan。
（4）用戶調(diào)用Push() ，推送的任務(wù)進入pushChan。
（5）推送的任務(wù)被加到優(yōu)先級隊列中。
（6）消費者從優(yōu)先級隊列中獲取優(yōu)先級最高的一個任務(wù)。
（7）消費者執(zhí)行任務(wù)。
2、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
（1）優(yōu)先級隊列對象
type PriorityQueue struct {
mLock sync.Mutex // 互斥鎖，queues和priorities并發(fā)操作時使用
queues map[int]chan *task // 優(yōu)先級隊列map
pushChan chan *task // 推送任務(wù)管道
priorities []int // 記錄優(yōu)先級的切片（優(yōu)先級從小到大排列）
}（2）任務(wù)對象
type task struct {
priority int // 任務(wù)的優(yōu)先級
f func() // 任務(wù)的執(zhí)行函數(shù)
}3、初始化優(yōu)先級隊列對象
func NewPriorityQueue() *PriorityQueue {
pq := &PriorityQueue{
queues: make(map[int]chan *task), // 初始化優(yōu)先級隊列map
pushChan: make(chan *task, 100),
}
return pq
}當(dāng)然，在這個過程中，我們需要對pushChan進行監(jiān)聽。如果有任務(wù)推送過來，咱們得處理。
func (pq *PriorityQueue) listenPushChan() {
for {
select {
case taskEle := <-pq.pushChan:
// TODO 這里接收到推送的任務(wù)，并且準(zhǔn)備處理
}
}
}將這個監(jiān)聽函數(shù)放到NewPriorityQueue()中：
func NewPriorityQueue() *PriorityQueue {
pq := &PriorityQueue{
queues: make(map[int]chan *task),
pushChan: make(chan *task, 100),
}
// 監(jiān)聽pushChan
go pq.listenPushChan()
return pq
}4、生產(chǎn)者推送任務(wù)
生產(chǎn)者推送任務(wù)的時候，我們只需要將任務(wù)放到pushChan中：
func (pq *PriorityQueue) Push(f func(), priority int) {
pq.pushChan <- &task{
f: f,
priority: priority,
}
}5、將推送任務(wù)加到優(yōu)先級隊列中
這一步就比較關(guān)鍵了。我們前面談到，優(yōu)先級隊列最核心的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有兩個：優(yōu)先級隊列map和優(yōu)先級切片。因此，推送任務(wù)添加到優(yōu)先級隊列的操作，咱們得分兩種情況來看：
（1）之前已經(jīng)推過相同優(yōu)先級的任務(wù)
這種情況非常簡單，咱們其實只要操作優(yōu)先級隊列map就可以了。
func (pq *PriorityQueue) listenPushChan() {
for {
select {
case taskEle := <-pq.pushChan:
priority := taskEle.priority
pq.mLock.Lock()
if v, ok := pq.queues[priority]; ok {
pq.mLock.Unlock()
// 之前推送過相同優(yōu)先級的任務(wù)
// 將推送的任務(wù)塞到對應(yīng)優(yōu)先級的隊列中
v <- taskEle
continue
}
// todo 之前未推過相同優(yōu)先級任務(wù)的處理...
}
}
}（2）之前未推過相同優(yōu)先級的任務(wù)
這種情況會稍微復(fù)雜一些。我們不僅要將新的優(yōu)先級插入到優(yōu)先級切片正確的位置，而且要將任務(wù)添加到對應(yīng)優(yōu)先級的隊列。
1）將新的優(yōu)先級插入到優(yōu)先級切片中
a. 首先，咱們得尋找新優(yōu)先級在切片中的插入位置。這里，咱們用了二分法。
// 通過二分法尋找新優(yōu)先級的切片插入位置
func (pq *PriorityQueue) getNewPriorityInsertIndex(priority int, leftIndex, rightIndex int) (index int) {
if len(pq.priorities) == 0 {
// 如果當(dāng)前優(yōu)先級切片沒有元素，則插入的index就是0
return 0
}
length := rightIndex - leftIndex
if pq.priorities[leftIndex] >= priority {
// 如果當(dāng)前切片中最小的元素都超過了插入的優(yōu)先級，則插入位置應(yīng)該是最左邊
return leftIndex
}
if pq.priorities[rightIndex] <= priority {
// 如果當(dāng)前切片中最大的元素都沒超過插入的優(yōu)先級，則插入位置應(yīng)該是最右邊
return rightIndex + 1
}
if length == 1 && pq.priorities[leftIndex] < priority && pq.priorities[rightIndex] >= priority {
// 如果插入的優(yōu)先級剛好在僅有的兩個優(yōu)先級之間，則中間的位置就是插入位置
return leftIndex + 1
}
middleVal := pq.priorities[leftIndex+length/2]
// 這里用二分法遞歸的方式，一直尋找正確的插入位置
if priority <= middleVal {
return pq.getNewPriorityInsertIndex(priority, leftIndex, leftIndex+length/2)
} else {
return pq.getNewPriorityInsertIndex(priority, leftIndex+length/2, rightIndex)
}
}b. 找到插入位置之后，我們才要插入。在這個過程中，插入位置右側(cè)的元素全部都要向右邊移動一位。
// index右側(cè)元素均需要向后移動一個單位
func (pq *PriorityQueue) moveNextPriorities(index, priority int) {
pq.priorities = append(pq.priorities, 0)
copy(pq.priorities[index+1:], pq.priorities[index:])
pq.priorities[index] = priority
}這樣，我們就成功地將新的優(yōu)先級插入了切片。
2）將推送任務(wù)放入優(yōu)先級隊列map也就順理成章。
// 創(chuàng)建一個新優(yōu)先級管道 pq.queues[priority] = make(chan *task, 10000) // 將任務(wù)塞到新的優(yōu)先級管道中 pq.queues[priority] <- taskEle
因此，listenPushChan()的代碼如下：
func (pq *PriorityQueue) listenPushChan() {
for {
select {
case taskEle := <-pq.pushChan:
priority := taskEle.priority
pq.mLock.Lock()
if v, ok := pq.queues[priority]; ok {
pq.mLock.Unlock()
// 將推送的任務(wù)塞到對應(yīng)優(yōu)先級的隊列中
v <- taskEle
continue
}
// 如果這是一個新的優(yōu)先級，則需要插入優(yōu)先級切片，并且新建一個優(yōu)先級的queue
// 通過二分法尋找新優(yōu)先級的切片插入位置
index := pq.getNewPriorityInsertIndex(priority, 0, len(pq.priorities)-1)
// index右側(cè)元素均需要向后移動一個單位
pq.moveNextPriorities(index, priority)
// 創(chuàng)建一個新優(yōu)先級隊列
pq.queues[priority] = make(chan *task, 10000)
// 將任務(wù)塞到新的優(yōu)先級隊列中
pq.queues[priority] <- taskEle
pq.mLock.Unlock()
}
}
}完成了生產(chǎn)者部分之后，接下來我們看看消費者。
6、消費者消費隊列
這里分成兩個步驟，首先咱們得拿到最高優(yōu)先級隊列的任務(wù)，然后再去執(zhí)行任務(wù)。代碼如下：
// 消費者輪詢獲取最高優(yōu)先級的任務(wù)
func (pq *PriorityQueue) Consume() {
for {
task := pq.Pop()
if task == nil {
// 未獲取到任務(wù)，則繼續(xù)輪詢
continue
}
// 獲取到了任務(wù)，就執(zhí)行任務(wù)
task.f()
}
}
// 取出最高優(yōu)先級隊列中的一個任務(wù)
func (pq *PriorityQueue) Pop() *task {
pq.mLock.Lock()
defer pq.mLock.Unlock()
for i := len(pq.priorities) - 1; i >= 0; i-- {
if len(pq.queues[pq.priorities[i]]) == 0 {
// 如果當(dāng)前優(yōu)先級的隊列沒有任務(wù)，則看低一級優(yōu)先級的隊列中有沒有任務(wù)
continue
}
// 如果當(dāng)前優(yōu)先級的隊列里有任務(wù)，則取出一個任務(wù)。
return <-pq.queues[pq.priorities[i]]
}
// 如果所有隊列都沒有任務(wù)，則返回null
return nil
}7、完整代碼
這樣，咱們的優(yōu)先級隊列就實現(xiàn)了。下面，我們將完整代碼展示。
pq.go
package priority_queue
import (
"sync"
)
type PriorityQueue struct {
mLock sync.Mutex // 互斥鎖，queues和priorities并發(fā)操作時使用
queues map[int]chan *task // 優(yōu)先級隊列map
pushChan chan *task // 推送任務(wù)管道
priorities []int // 記錄優(yōu)先級的切片（優(yōu)先級從小到大排列）
}
type task struct {
priority int // 任務(wù)的優(yōu)先級
f func() // 任務(wù)的執(zhí)行函數(shù)
}
func NewPriorityQueue() *PriorityQueue {
pq := &PriorityQueue{
queues: make(map[int]chan *task),
pushChan: make(chan *task, 100),
}
go pq.listenPushChan()
return pq
}
func (pq *PriorityQueue) listenPushChan() {
for {
select {
case taskEle := <-pq.pushChan:
priority := taskEle.priority
pq.mLock.Lock()
if v, ok := pq.queues[priority]; ok {
pq.mLock.Unlock()
// 將推送的任務(wù)塞到對應(yīng)優(yōu)先級的隊列中
v <- taskEle
continue
}
// 如果這是一個新的優(yōu)先級，則需要插入優(yōu)先級切片，并且新建一個優(yōu)先級的queue
// 通過二分法尋找新優(yōu)先級的切片插入位置
index := pq.getNewPriorityInsertIndex(priority, 0, len(pq.priorities)-1)
// index右側(cè)元素均需要向后移動一個單位
pq.moveNextPriorities(index, priority)
// 創(chuàng)建一個新優(yōu)先級隊列
pq.queues[priority] = make(chan *task, 10000)
// 將任務(wù)塞到新的優(yōu)先級隊列中
pq.queues[priority] <- taskEle
pq.mLock.Unlock()
}
}
}
// 插入work
func (pq *PriorityQueue) Push(f func(), priority int) {
pq.pushChan <- &task{
f: f,
priority: priority,
}
}
// index右側(cè)元素均需要向后移動一個單位
func (pq *PriorityQueue) moveNextPriorities(index, priority int) {
pq.priorities = append(pq.priorities, 0)
copy(pq.priorities[index+1:], pq.priorities[index:])
pq.priorities[index] = priority
}
// 通過二分法尋找新優(yōu)先級的切片插入位置
func (pq *PriorityQueue) getNewPriorityInsertIndex(priority int, leftIndex, rightIndex int) (index int) {
if len(pq.priorities) == 0 {
// 如果當(dāng)前優(yōu)先級切片沒有元素，則插入的index就是0
return 0
}
length := rightIndex - leftIndex
if pq.priorities[leftIndex] >= priority {
// 如果當(dāng)前切片中最小的元素都超過了插入的優(yōu)先級，則插入位置應(yīng)該是最左邊
return leftIndex
}
if pq.priorities[rightIndex] <= priority {
// 如果當(dāng)前切片中最大的元素都沒超過插入的優(yōu)先級，則插入位置應(yīng)該是最右邊
return rightIndex + 1
}
if length == 1 && pq.priorities[leftIndex] < priority && pq.priorities[rightIndex] >= priority {
// 如果插入的優(yōu)先級剛好在僅有的兩個優(yōu)先級之間，則中間的位置就是插入位置
return leftIndex + 1
}
middleVal := pq.priorities[leftIndex+length/2]
// 這里用二分法遞歸的方式，一直尋找正確的插入位置
if priority <= middleVal {
return pq.getNewPriorityInsertIndex(priority, leftIndex, leftIndex+length/2)
} else {
return pq.getNewPriorityInsertIndex(priority, leftIndex+length/2, rightIndex)
}
}
// 取出最高優(yōu)先級隊列中的一個任務(wù)
func (pq *PriorityQueue) Pop() *task {
pq.mLock.Lock()
defer pq.mLock.Unlock()
for i := len(pq.priorities) - 1; i >= 0; i-- {
if len(pq.queues[pq.priorities[i]]) == 0 {
// 如果當(dāng)前優(yōu)先級的隊列沒有任務(wù)，則看低一級優(yōu)先級的隊列中有沒有任務(wù)
continue
}
// 如果當(dāng)前優(yōu)先級的隊列里有任務(wù)，則取出一個任務(wù)。
return <-pq.queues[pq.priorities[i]]
}
// 如果所有隊列都沒有任務(wù)，則返回null
return nil
}
// 消費者輪詢獲取最高優(yōu)先級的任務(wù)
func (pq *PriorityQueue) Consume() {
for {
task := pq.Pop()
if task == nil {
// 未獲取到任務(wù)，則繼續(xù)輪詢
continue
}
// 獲取到了任務(wù)，就執(zhí)行任務(wù)
task.f()
}
}測試代碼pq_test.go：
package priority_queue
import (
"fmt"
"math/rand"
"testing"
"time"
)
func TestQueue(t *testing.T) {
defer func() {
if err := recover(); err != nil {
fmt.Println(err)
}
}()
pq := NewPriorityQueue()
rand.Seed(time.Now().Unix())
// 我們在這里，隨機生成一些優(yōu)先級任務(wù)
for i := 0; i < 100; i++ {
a := rand.Intn(10)
go func(i int) {
pq.Push(func() {
fmt.Println("推送任務(wù)的編號為：", i)
fmt.Println("推送的任務(wù)優(yōu)先級為：", a)
fmt.Println("============")
}, a)
}(i)
}
// 這里會阻塞，消費者會輪詢查詢?nèi)蝿?wù)隊列
pq.Consume()
}發(fā)散思維
上面的方案的確是實現(xiàn)了優(yōu)先級隊列，但是，有一種極端情況：如果消費者的消費速度遠遠小于生產(chǎn)者的生產(chǎn)速度，并且高優(yōu)先級的任務(wù)被不斷插入，這樣，低優(yōu)先級的任務(wù)就會有“餓死”的風(fēng)險。
對于這種情況，我們在消費的時候，可以考慮給每一個優(yōu)先級隊列分配一個權(quán)重，高優(yōu)先級的隊列有更大的概率被消費，低優(yōu)先級的概率相對較小。感興趣的朋友們，可以自己去實現(xiàn)一下。
小結(jié)
本文和大家討論了優(yōu)先級隊列在golang中的一種實現(xiàn)方案，里面應(yīng)用到了切片、map、互斥鎖、管道等諸多golang特性，可以說是一個非常典型的案例。其實，優(yōu)先級隊列在實際的業(yè)務(wù)場景中使用廣泛，其實現(xiàn)方式也不止一種，我們需要根據(jù)實際的需求，選擇最優(yōu)解。
到此這篇關(guān)于golang優(yōu)先級隊列實現(xiàn)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)golang優(yōu)先級隊列實現(xiàn)內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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