Java并发（7）：阻塞队列

Z时代
2024-01-10
分类：综合

java

　　在前面我们接触的队列都是非阻塞队列，比如PriorityQueue、LinkedList（LinkedList是双向链表，它实现了Dequeue接口）。

　　使用非阻塞队列的时候有一个很大问题就是：它不会对当前线程产生阻塞，那么在面对类似消费者-生产者的模型时，就必须额外地实现同步策略以及线程间唤醒策略，这个实现起来就非常麻烦。但是有了阻塞队列就不一样了，它会对当前线程产生阻塞，比如一个线程从一个空的阻塞队列中取元素，此时线程会被阻塞直到阻塞队列中有了元素。当队列中有元素后，被阻塞的线程会自动被唤醒（不需要我们编写代码去唤醒）。这样提供了极大的方便性。

一.几种主要的阻塞队列

　　自从Java 1.5之后，在java.util.concurrent包下提供了若干个阻塞队列，主要有以下几个：

　　ArrayBlockingQueue：基于数组实现的一个阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须制定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间最长的队列最优先能够访问队列。

　　LinkedBlockingQueue：基于链表实现的一个阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE。

　　PriorityBlockingQueue：以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue却不是，它会按照元素的优先级对元素进行排序，按照优先级顺序出队，每次出队的元素都是优先级最高的元素。注意，此阻塞队列为无界阻塞队列，即容量没有上限（通过源码就可以知道，它没有容器满的信号标志），前面2种都是有界队列。

　　DelayQueue：基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，DelayQueue中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻塞。

二.阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法

1.非阻塞队列中的几个主要方法：

　　add(E e):将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则会抛出异常；

　　remove()：移除队首元素，若移除成功，则返回true；如果移除失败（队列为空），则会抛出异常；

　　offer(E e)：将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则返回false；

　　poll()：移除并获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null；

　　peek()：获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null

　　对于非阻塞队列，一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法，不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意，非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。

2.阻塞队列中的几个主要方法：

　　阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法，上面列举的5个方法在阻塞队列中都存在，但是要注意这5个方法在阻塞队列中都进行了同步措施。除此之外，阻塞队列提供了另外4个非常有用的方法：

　　put(E e)　　用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待；

　　take()　　用来从队首取元素，如果队列为空，则等待；

　　offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)　　用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果还没有插入成功，则返回false；否则返回true；

　　poll(long timeout, TimeUnit unit)　　用来从队首取元素，如果队列空，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果取到，则返回null；否则返回取得的元素。

三.阻塞队列的实现原理

　　本文以ArrayBlockingQueue为例，其他阻塞队列实现原理可能和ArrayBlockingQueue有一些差别，但是大体思路应该类似，有兴趣的朋友可自行查看其他阻塞队列的实现源码。

　　首先看一下ArrayBlockingQueue类中的几个成员变量：

 1 public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
 2 implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
 3  
 4 private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;
 5  
 6 /** The queued items  */
 7 private final E[] items;
 8 /** items index for next take, poll or remove */
 9 private int takeIndex;
10 /** items index for next put, offer, or add. */
11 private int putIndex;
12 /** Number of items in the queue */
13 private int count;
14  
15 /*
16 * Concurrency control uses the classic two-condition algorithm
17 * found in any textbook.
18 */
19  
20 /** Main lock guarding all access */
21 private final ReentrantLock lock;
22 /** Condition for waiting takes */
23 private final Condition notEmpty;
24 /** Condition for waiting puts */
25 private final Condition notFull;
26 }

　　可以看出，ArrayBlockingQueue中用来存储元素的实际上是一个数组，takeIndex和putIndex分别表示队首元素和队尾元素的下标，count表示队列中元素的个数。

　　lock是一个可重入锁，notEmpty和notFull是等待条件。

　　下面看一下ArrayBlockingQueue的构造器，构造器有三个重载版本：

1 public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
2 }
3 public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
4  
5 }
6 public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
7                           Collection<? extends E> c) {
8 }

　　第一个构造器只有一个参数用来指定容量，第二个构造器可以指定容量和公平性，第三个构造器可以指定容量、公平性以及用另外一个集合进行初始化。

　　然后看它的两个关键方法的实现：put()和take()：

 1 public void put(E e) throws InterruptedException {
 2     if (e == null) throw new NullPointerException();
 3     final E[] items = this.items;
 4     final ReentrantLock lock = this.lock;
 5     lock.lockInterruptibly();
 6     try {
 7         try {
 8             while (count == items.length)
 9                 notFull.await();
10         } catch (InterruptedException ie) {
11             notFull.signal(); // propagate to non-interrupted thread
12             throw ie;
13         }
14         insert(e);
15     } finally {
16         lock.unlock();
17     }
18 }

　　从put方法的实现可以看出，它先获取了锁，并且获取的是可中断锁，然后判断当前元素个数是否等于数组的长度，如果相等，则调用notFull.await()进行等待，如果捕获到中断异常，则唤醒线程并抛出异常。

　　当被其他线程唤醒时，通过insert(e)方法插入元素，最后解锁。

　　我们看一下insert方法的实现：

1 private void insert(E x) {
2     items[putIndex] = x;
3     putIndex = inc(putIndex);
4     ++count;
5     notEmpty.signal();
6 }

　　它是一个private方法，插入成功后，通过notEmpty唤醒正在等待取元素的线程。

　　下面是take()方法的实现：

 1 public E take() throws InterruptedException {
 2     final ReentrantLock lock = this.lock;
 3     lock.lockInterruptibly();
 4     try {
 5         try {
 6             while (count == 0)
 7                 notEmpty.await();
 8         } catch (InterruptedException ie) {
 9             notEmpty.signal(); // propagate to non-interrupted thread
10             throw ie;
11         }
12         E x = extract();
13         return x;
14     } finally {
15         lock.unlock();
16     }
17 }

　　跟put方法实现很类似，只不过put方法等待的是notFull信号，而take方法等待的是notEmpty信号。在take方法中，如果可以取元素，则通过extract方法取得元素，下面是extract方法的实现：

1 private E extract() {
2     final E[] items = this.items;
3     E x = items[takeIndex];
4     items[takeIndex] = null;
5     takeIndex = inc(takeIndex);
6     --count;
7     notFull.signal();
8     return x;
9 }

　　跟insert方法也很类似。其实从这里大家应该明白了阻塞队列的实现原理，事实它和我们用Object.wait()、Object.notify()和非阻塞队列实现生产者-消费者的思路类似，只不过它把这些工作一起集成到了阻塞队列中实现。

四.示例和使用场景

下面先使用Object.wait()和Object.notify()、非阻塞队列实现生产者-消费者模式：

 1 public class Test {
 2     private int queueSize = 10;
 3     private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
 4      
 5     public static void main(String[] args)  {
 6         Test test = new Test();
 7         Producer producer = test.new Producer();
 8         Consumer consumer = test.new Consumer();
 9          
10         producer.start();
11         consumer.start();
12     }
13      
14     class Consumer extends Thread{
15          
16         @Override
17         public void run() {
18             consume();
19         }
20          
21         private void consume() {
22             while(true){
23                 synchronized (queue) {
24                     while(queue.size() == 0){
25                         try {
26                             System.out.println("队列空，等待数据");
27                             queue.wait();
28                         } catch (InterruptedException e) {
29                             e.printStackTrace();
30                             queue.notify();
31                         }
32                     }
33                     queue.poll();          //每次移走队首元素
34                     queue.notify();
35                     System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
36                 }
37             }
38         }
39     }
40      
41     class Producer extends Thread{
42          
43         @Override
44         public void run() {
45             produce();
46         }
47          
48         private void produce() {
49             while(true){
50                 synchronized (queue) {
51                     while(queue.size() == queueSize){
52                         try {
53                             System.out.println("队列满，等待有空余空间");
54                             queue.wait();
55                         } catch (InterruptedException e) {
56                             e.printStackTrace();
57                             queue.notify();
58                         }
59                     }
60                     queue.offer(1);        //每次插入一个元素
61                     queue.notify();
62                     System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));
63                 }
64             }
65         }
66     }
67 }

　　这个是经典的生产者-消费者模式，通过非阻塞队列和Object.wait()和Object.notify()实现，wait()和notify()主要用来实现线程间通信。

　　下面是使用阻塞队列实现的生产者-消费者模式：

 1 public class Test {
 2     private int queueSize = 10;
 3     private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(queueSize);
 4      
 5     public static void main(String[] args)  {
 6         Test test = new Test();
 7         Producer producer = test.new Producer();
 8         Consumer consumer = test.new Consumer();
 9          
10         producer.start();
11         consumer.start();
12     }
13      
14     class Consumer extends Thread{
15          
16         @Override
17         public void run() {
18             consume();
19         }
20          
21         private void consume() {
22             while(true){
23                 try {
24                     queue.take();
25                     System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
26                 } catch (InterruptedException e) {
27                     e.printStackTrace();
28                 }
29             }
30         }
31     }
32      
33     class Producer extends Thread{
34          
35         @Override
36         public void run() {
37             produce();
38         }
39          
40         private void produce() {
41             while(true){
42                 try {
43                     queue.put(1);
44                     System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));
45                 } catch (InterruptedException e) {
46                     e.printStackTrace();
47                 }
48             }
49         }
50     }
51 }