java并发学习之BlockingQueue实现生产者消费者详解

  • Z时代
  • 2024-01-10
  • 分类：IT

1.介绍

     阻塞队列 (BlockingQueue)是Java util.concurrent包下重要的数据结构，BlockingQueue提供了线程安全的队列访问方式：当阻塞队列进行插入数据时，如果队列已满，线程将会阻塞等待直到队列非满；从阻塞队列取数据时，如果队列已空，线程将会阻塞等待直到队列非空。并发包下很多高级同步类的实现都是基于BlockingQueue实现的。

JDK7提供了以下7个阻塞队列：

ArrayBlockingQueue ：由数组结构组成的有界阻塞队列。

LinkedBlockingQueue ：由链表结构组成的有界阻塞队列。

PriorityBlockingQueue ：支持优先级排序的无界阻塞队列。

DelayQueue：使用优先级队列实现的无界阻塞队列。

SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列。

LinkedTransferQueue：链表结构组成的无界阻塞队列。

LinkedBlockingDeque：链表结构组成的双向阻塞队列。

阻塞队列提供了下列四种处理方法:

这4类方法中，在队列已满（或为空）的情况下，有些会抛出异常，有些则返回true/false，有些则一直阻塞，还有些则可以设置超时时间，时间到了后，自动退出阻塞状态，实际项目中可根据需要选取适合的方法。

2.队列

队列(Queue)与栈(Stack)是数据结构中的二种常用结构，队列的特点是先进先出(FirstInFirstOut)，而Stack是先进后出(FirstInLastOut)，说得通俗点：Queue就是电影院入场时人们排起来的进场队伍，先来的人（即：前排在前面的人）先入场，而Statck则是一队人依次进入了一个死胡同想出来，先进去(最里面)的人，必须等后面的人(后进入的人)出来了，自己才能出来。

阻塞队列与普通队列的区别在于，当队列是空的时，从队列中获取元素的操作将会被阻塞，或者当队列是满时，往队列里添加元素的操作会被阻塞。试图从空的阻塞队列中获取元素的线程将会被阻塞，直到其他的线程往空的队列插入新的元素。同样，试图往已满的阻塞队列中添加新元素的线程同样也会被阻塞，直到其他的线程使队列重新变得空闲起来，如从队列中移除一个或者多个元素，或者完全清空队列.

队列在多线程应用中，常用于生产-消费场景，打个通俗的比方：很多人早上喜欢去买油条，买油条的人相当于消费者，做油条的师傅则是生产者。而油锅边上用于放油条的铁架子，可以看成一个共享的队列，师傅做好油条后，一根一根的捞出来放在架子上，而顾客则按排队的顺序一根根的付好钱从架子上拿。即：队列的一头，不断有人在放入东西（生产元素），另一头不断有人的消费(拿走元素)。这里就有一个很有趣的现象，如果买的人多，师傅来不及做，那么第一个顾客就会一直等着（后面的所有人也得等着，或称为阻塞了后面的人），直到师傅炸好一根，然后第一个顾客买完走了，后面的人才能顶上来，类似的道理，如果架子放满了，没有人来买，师傅就会停下来，等有人来买了，才会继续做，这就是所谓的队列阻塞，而能产生阻塞行为的队列称为阻塞队列。

从刚才的描述可以看出，发生阻塞起码得满足下面至少一个条件：(前提：队列是有界的)

1.从队列里取元素时，如果队列为空，则代码一直等在这里（即阻塞），直到队列里有东西了，拿到元素了，后面的代码才能继续；

2.向队列里放元素时，如果队列满了（即放不下更多元素），则代码也会卡住，直到队列里的东西被取走了（即：有空位可以放新元素了），后面的代码才能继续；

3.模拟生产者消费者

模拟了买油条的场景，1个老板在做油条，3个顾客在排队买：

package com.tl.skyLine.thread;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
/**
 * Created by tl on 17/3/3.
 */
public class BlockingQueueTest {
  //final成员变量表示常量，只能被赋值一次，赋值后值不再改变。
  private static final int queueSize = 5;
  private static final ArrayBlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(queueSize);
  private static final int produceSpeed = 2000;//生产速度(越小越快)
  private static final int consumeSpeed = 10;//消费速度(越小越快)
  //生产者
  public static class Producer implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
      while (true) {
        try {
          System.out.println("老板准备炸油条了，架子上还能放：" + (queueSize - queue.size()) + "根油条");
          queue.put("1根油条");
          System.out.println("老板炸好了1根油条，架子上还能放：" + (queueSize - queue.size()) + "根油条");
          Thread.sleep(produceSpeed);
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }
  }
  //消费者
  public static class Consumer implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
      while (true) {
        try {
          System.out.println("A 准备买油条了，架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          queue.take();
          System.out.println("A 买到1根油条，架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          Thread.sleep(consumeSpeed);
          System.out.println("B 准备买油条了，架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          queue.take();
          System.out.println("B 买到1根油条，架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          Thread.sleep(consumeSpeed);
          System.out.println("C 准备买油条了，架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          queue.take();
          System.out.println("C 买到1根油条，架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          Thread.sleep(consumeSpeed);
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }
  }
  public static void main(String[] args) {
    Thread producer = new Thread(new Producer());
    Thread consumer = new Thread(new Consumer());
    producer.start();
    consumer.start();
  }
}

结果：

老板准备炸油条了，架子上还能放：5根油条
老板炸好了1根油条，架子上还能放：4根油条
A 准备买油条了，架子上还剩1根油条
A 买到1根油条，架子上还剩0根油条
B 准备买油条了，架子上还剩0根油条
老板准备炸油条了，架子上还能放：5根油条
老板炸好了1根油条，架子上还能放：4根油条
B 买到1根油条，架子上还剩0根油条
C 准备买油条了，架子上还剩0根油条
老板准备炸油条了，架子上还能放：5根油条
老板炸好了1根油条，架子上还能放：4根油条
C 买到1根油条，架子上还剩0根油条
A 准备买油条了，架子上还剩0根油条
老板准备炸油条了，架子上还能放：5根油条
老板炸好了1根油条，架子上还能放：4根油条
A 买到1根油条，架子上还剩0根油条
B 准备买油条了，架子上还剩0根油条
老板准备炸油条了，架子上还能放：5根油条
老板炸好了1根油条，架子上还能放：4根油条

上面设置消费速度快于生产速度，所有会发现控制台中，老板炸油条时，架子上油条卖得快，所以能放4根或者5根油条，而顾客由于购买速度快，所以会经常出现架子上还剩0根油条，当我们把生产速度produceSpeed跟消费速度consumeSpeed对换一下，又会发现相反的结果。

4.原理分析

我们简单模拟一下BlockingQueue，熟悉一下背后的原理：

public class BlockingQueue {
	private List queue = new LinkedList();
	private int limit = 10;
	public BlockingQueue(int limit){
		this.limit = limit;
	}
	public synchronized void enqueue(Object item)
	throws InterruptedException {
		while(this.queue.size() == this.limit) {
			wait();
		}
		if(this.queue.size() == 0) {
			notifyAll();
		}
		this.queue.add(item);
	}
	public synchronized Object dequeue()
	throws InterruptedException{
		while(this.queue.size() == 0){
			wait();
		}
		if(this.queue.size() == this.limit){
			notifyAll();
		}
		return this.queue.remove(0);
	}
}

我们看一下jdk的实现过程：

ArrayBlockingQueue的部分源码：

/** Main lock guarding all access */ 
final ReentrantLock lock; 
/** Condition for waiting takes */ 
private final Condition notEmpty; 
/** Condition for waiting puts */ 
private final Condition notFull;

这3个变量很重要，ReentrantLock重入锁，notEmpty检查不为空的Condition以及notFull用来检查队列未满的Condition

Condition是一个接口，里面有二个重要的方法：

await()：Causesthecurrentthreadtowaituntilitissignalledorinterrupted.即阻塞当前线程，直到被通知（唤醒）或中断

singal():Wakesuponewaitingthread.唤醒阻塞的线程

再来看put方法：(jdk1.8)

public void put(E e) throws InterruptedException {
  checkNotNull(e);
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  lock.lockInterruptibly();
  try {
    while (count == items.length)
      notFull.await();
    enqueue(e);
  } finally {
    lock.unlock();
  }
}

1.先获取锁

2.然后用while循环检测元素个数是否等于items长度，如果相等，表示队列满了,调用notFull的await()方法阻塞线程

3.否则调用enqueue()方法添加元素

4.最后解锁

这是添加元素的代码（jdk 1.8）,注意最后一行notEmpty.signal()方法，表示添加完元素后，调用singal()通知等待（从队列中取元素）的线程，队列不空(有值)啦，可以来取东西了。

类似的take()与dequeue()方法则相当于逆过程（注：同样都是jdk 1.8）

public E take() throws InterruptedException {
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  lock.lockInterruptibly();
  try {
    while (count == 0)
      notEmpty.await();
    return dequeue();
  } finally {
    lock.unlock();
  }
}

类似的：

1. 先加锁

2. 如果元素个数为空，表示队列已空，调用notEmpty的await()阻塞线程，直接队列里又有新元素加入为止

3. 然后调用dequeue 从队列里删除元素

4. 解锁

dequeue方法：

private E dequeue() {
  // assert lock.getHoldCount() == 1;
  // assert items[takeIndex] != null;
  final Object[] items = this.items;
  @SuppressWarnings("unchecked")
  E x = (E) items[takeIndex];
  items[takeIndex] = null;
  if (++takeIndex == items.length)
    takeIndex = 0;
  count--;
  if (itrs != null)
    itrs.elementDequeued();
  notFull.signal();
  return x;
}

倒数第2行，元素移除后，调用notFull.singnal唤醒等待（向队列添加元素的）线程，队列有空位了，可以向里面添加元素了。

总结

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