java多线程之阻塞队列

java多线程之阻塞队列

 

       阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是：在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素。

 

阻塞队列提供了四种处理方法:

 

 

• 抛出异常：是指当阻塞队列满时候，再往队列里插入元素，会抛出IllegalStateException(“Queue full”)异常。当队列为空时，从队列里获取元素时会抛出NoSuchElementException异常 。

• 返回特殊值：插入方法会返回是否成功，成功则返回true。移除方法，则是从队列里拿出一个元素，如果没有则返回null

• 一直阻塞：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里put元素，队列会一直阻塞生产者线程，直到拿到数据，或者响应中断退出。当队列空时，消费者线程试图从队列里take元素，队列也会阻塞消费者线程，直到队列可用。

• 超时退出：当阻塞队列满时，队列会阻塞生产者线程一段时间，如果超过一定的时间，生产者线程就会退出。

 

 

阻塞队列实现类

 

• ArrayBlockingQueue ：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
• LinkedBlockingQueue ：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。
• PriorityBlockingQueue ：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
• DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。
• SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。
• LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。
• LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

 

ArrayBlockingQueue

 

       ArrayBlockingQueue是一个用数组实现的有界阻塞队列。此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。默认情况下不保证访问者公平的访问队列，所谓公平访问队列是指阻塞的所有生产者线程或消费者线程，当队列可用时，可以按照阻塞的先后顺序访问队列，即先阻塞的生产者线程，可以先往队列里插入元素，先阻塞的消费者线程，可以先从队列里获取元素。通常情况下为了保证公平性会降低吞吐量。

 

 

LinkedBlockingQueue

 

       LinkedBlockingQueue是一个用链表实现的有界阻塞队列。此队列的默认和最大长度为Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。

 

 

PriorityBlockingQueue

 

       PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界队列。默认情况下元素采取自然顺序排列，也可以通过比较器comparator来指定元素的排序规则。元素按照升序排列。

 

 

DelayQueue

 

       DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用PriorityQueue来实现。队列中的元素必须实现Delayed接口，在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。

 

我们可以将DelayQueue运用在以下应用场景：

 

• 缓存系统的设计：可以用DelayQueue保存缓存元素的有效期，使用一个线程循环查询DelayQueue，一旦能从DelayQueue中获取元素时，表示缓存有效期到了。
• 定时任务调度。使用DelayQueue保存当天将会执行的任务和执行时间，一旦从DelayQueue中获取到任务就开始执行，从比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。

 

SynchronousQueue

 

       SynchronousQueue是一个不存储元素的阻塞队列。每一个put操作必须等待一个take操作，否则不能继续添加元素。SynchronousQueue可以看成是一个传球手，负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。队列本身并不存储任何元素，非常适合于传递性场景,比如在一个线程中使用的数据，传递给另外一个线程使用，SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

 

 

LinkedTransferQueue

 

       LinkedTransferQueue是一个由链表结构组成的无界阻塞TransferQueue队列。相对于其他阻塞队列LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。

 

 

LinkedBlockingDeque

 

       LinkedBlockingDeque是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的你可以从队列的两端插入和移出元素。双端队列因为多了一个操作队列的入口，在多线程同时入队时，也就减少了一半的竞争。相比其他的阻塞队列，LinkedBlockingDeque多了addFirst，addLast，offerFirst，offerLast，peekFirst，peekLast等方法，以First单词结尾的方法，表示插入，获取（peek）或移除双端队列的第一个元素。以Last单词结尾的方法，表示插入，获取或移除双端队列的最后一个元素。另外插入方法add等同于addLast，移除方法remove等效于removeFirst。但是take方法却等同于takeFirst，不知道是不是Jdk的bug，使用时还是用带有First和Last后缀的方法更清楚。在初始化LinkedBlockingDeque时可以初始化队列的容量，用来防止其再扩容时过渡膨胀。另外双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。

 

 

 

 

阻塞队列应用场景

 

       阻塞队列的最常使用的例子就是生产者消费者模式,也是各种实现生产者消费者模式方式中首选的方式。使用者不用关心什么阻塞生产，什么时候阻塞消费，使用非常方便，代码如下：

 

 

package MyThread;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class BlockingQueueTest {
    //生产者
    public static class Producer implements Runnable{
        private final BlockingQueue<Integer> blockingQueue;
        private volatile boolean flag;
        private Random random;

        public Producer(BlockingQueue<Integer> blockingQueue) {
            this.blockingQueue = blockingQueue;
            flag=false;
            random=new Random();

        }
        public void run() {
            while(!flag){
                int info=random.nextInt(100);
                try {
                    blockingQueue.put(info);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" produce "+info);
                    Thread.sleep(50);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }               
            }
        }
        public void shutDown(){
            flag=true;
        }
    }
    //消费者
    public static class Consumer implements Runnable{
        private final BlockingQueue<Integer> blockingQueue;
        private volatile boolean flag;
        public Consumer(BlockingQueue<Integer> blockingQueue) {
            this.blockingQueue = blockingQueue;
        }
        public void run() {
            while(!flag){
                int info;
                try {
                    info = blockingQueue.take();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" consumer "+info);
                    Thread.sleep(50);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }               
            }
        }
        public void shutDown(){
            flag=true;
        }
    }
    public static void main(String[] args){
        BlockingQueue<Integer> blockingQueue = new LinkedBlockingQueue<Integer>(10);
        Producer producer=new Producer(blockingQueue);
        Consumer consumer=new Consumer(blockingQueue);
        //创建5个生产者，5个消费者
        for(int i=0;i<10;i++){
            if(i<5){
                new Thread(producer,"producer"+i).start();
            }else{
                new Thread(consumer,"consumer"+(i-5)).start();
            }
        }

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        producer.shutDown();
        consumer.shutDown();

    }
}

 

 

 

 

 

阻塞队列实现原理

 

       阻塞队列实际上使用的就是是lock锁的多条件（condition）阻塞控制。使用BlockingQueue封装了根据条件阻塞线程的过程，而我们就不用关心繁琐的await/signal操作了。

 

Jdk 1.7中ArrayBlockingQueue部分代码：

 

 

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {

        if (capacity <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        //创建数组    
        this.items = new Object[capacity];
        //创建锁和阻塞条件
        lock = new ReentrantLock(fair);   
        notEmpty = lock.newCondition();
        notFull =  lock.newCondition();
    }
//添加元素的方法
public void put(E e) throws InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            //如果队列不满就入队
            enqueue(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
 //入队的方法
 private void enqueue(E x) {
        final Object[] items = this.items;
        items[putIndex] = x;
        if (++putIndex == items.length)
            putIndex = 0;
        count++;
        notEmpty.signal();
    }
 //移除元素的方法
 public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
 //出队的方法
 private E dequeue() {
        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;

 

 

 

 

 

双端阻塞队列（BlockingDeque）

 

concurrent包下还提供双端阻塞队列（BlockingDeque），和BlockingQueue是类似的，只不过BlockingDeque提供从任意一端插入或者抽取元素的队列。