`

(转)[聊聊并发]Java中的阻塞队列

 
阅读更多

引言

本文介绍了什么是阻塞队列,以及Java中阻塞队列的四种处理方式,并介绍和分析了Java7中提供的7种阻塞队列,最后分析阻塞队列的一种实现方式。

什么是阻塞队列?

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支持阻塞的插入和移除方法。

  • 支持阻塞的插入方法:意思是当队列满时,队列会阻塞插入元素的线程,直到队列不满。
  • 支持阻塞的移除方法:意思是在队列为空时,获取元素的线程会等待队列变为非空。

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,消费者是从队列里取元素的线程。阻塞队列就是生产者用来存放元素,消费者用来获取元素的容器。

在阻塞队列不可用时,这两个附加操作提供了四种处理方式:

方法\处理方式

抛出异常

返回特殊值

一直阻塞

超时退出

插入方法

add(e)

offer(e)

put(e)

offer(e,time,unit)

移除方法

remove()

poll()

take()

poll(time,unit)

检查方法

element()

peek()

不可用

不可用

1.      抛出异常:当队列满时,如果再往队列里插入元素,会抛出IllegalStateException("Queue full")异常。当队列空时,从队列里获取元素会抛出NoSuchElementException异常。

2.      返回特殊值:当往队列插入元素时,会返回元素是否插入成功,成功返回true。如果是移除方法,则是从队列里拿出一个元素,如果没有则返回null。

3.      一直阻塞:当阻塞队列满时,如果生产者继续线程往队列里put元素,队列会一直阻塞生产者线程,直到队列可用或者响应中断退出。当队列空时,如果消费者线程从队列里take元素,队列会阻塞住消费者线程,直到队列不为空。

4.      超时退出:当阻塞队列满时,如果生产者线程往队列里插入元素,队列会阻塞生产者线程一段时间,如果超过了指定的时间,生产者线程就会退出。

5.      需要注意的是,如果是无界阻塞队列,因为队列不可能会出现满的情况,所以使用put或offer方法永远不会被阻塞,而且使用offer方法时,该方法永远返回true。

6.      这2个附加操作的四种处理方式不方便记忆,所以我找了下这几个方法的规律。put和take分别尾首含有字母t,offer和poll都含有字母o。

 

Java里的阻塞队列

JDK7提供了7个阻塞队列,分别是:

•  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:一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。

•  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。

默认情况下不保证线程公平的访问队列,所谓公平访问队列是指阻塞的线程,可以按照阻塞的先后顺序访问队列,即先阻塞线程先访问队列。非公平性是对先等待的线程是非公平的,当队列可用时,阻塞的线程都可以争夺访问队列的资格,有可能先阻塞的线程最后才访问队列。为了保证公平性通常情况下会降低吞吐量。我们可以使用以下代码创建一个公平的阻塞队列:

ArrayBlockingQueue fairQueue =new  ArrayBlockingQueue(1000,true);

访问者的公平性是使用可重入锁实现的,代码如下:

public Array BlockingQueue(intcapacity,booleanfair) {

       if(capacity <= 0)

           throw new IllegalArgumentException();

       this.items=new Object[capacity];

       lock=new ReentrantLock(fair);

       notEmpty=lock.newCondition();

       notFull= lock.newCondition();

}

 

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阻塞队列。默认情况下元素采取自然顺序升序排列。也可以自定义类实现compareTo方法来指定元素排序规则,或者初始化PriorityBlockingQueue时,指定构造参数Comparator来对元素进行排序。需要注意的是不能保证同优先级元素的顺序。

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。

DelayQueue非常有用,我们可以将DelayQueue运用在以下应用场景:

l  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。

l  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,比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。

 

如何实现Delayed接口呢?

DelayQueue队列的元素必须实现Delayed接口。我们可以参考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask类的实现。一共三步,第一步:在对象创建的时候,初始化基本数据。使用time记录当前对象延迟到什么时候可以使用,使用sequenceNumber来标示元素在队列中的先后顺序。代码如下:

private static final AtomicLong sequencer=new AtomicLong(0);

 

ScheduledFutureTask(Runnable r, V result,longns,longperiod) {

           super(r, result);

           this.time= ns;

           this.period= period;

           this.sequenceNumber=sequencer.getAndIncrement();

}

第二步:实现getDelay方法,该方法返回当前元素还需要延时多长时间,单位是毫秒,代码如下:

public long getDelay(TimeUnit unit) {

       return unit.convert(time- now(), TimeUnit.NANOSECONDS);

 }

通过构造函数可以看出延迟时间参数ns的单位是纳秒,自己设计的时候最好使用纳秒,因为getDelay时可以指定任意单位,一旦以秒或分作为单位,而延时时间又精确不到纳秒就麻烦了。使用时请注意当time小于当前时间时,getDelay会返回负数。

第三步:实现compareTo方法来指定元素的顺序。比如让延时时间最长的放在队列的末尾。实现代码如下:

public int compareTo(Delayed other) {

           if(other ==this)// compare zero ONLY if same object

               return 0;

           if(other instance of ScheduledFutureTask) {

                ScheduledFutureTask<?> x = (ScheduledFutureTask<?>)other;

               longdiff =time- x.time;

               if(diff < 0)

                   return -1;

               else if(diff > 0)

                   return 1;

               else if(sequenceNumber< x.sequenceNumber)

                   return -1;

               else

                   return1;

            }

           long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -

                      other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));

            return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);

        }

 

 

如何实现延时阻塞队列?

延时阻塞队列的实现很简单,当消费者从队列里获取元素时,如果元素没有达到延时时间,就阻塞当前线程。

longdelay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);

 if(delay <= 0)

     returnq.poll();

else if(leader!=null)

      available.await();

else{

      Thread thisThread = Thread.currentThread();

leader= thisThread;

        try{

                 available.awaitNanos(delay);

             }finally{

                 if(leader== thisThread)

                 leader=null;

             }

      }

leader是一个等待获取队列头部元素的线程。如果leader不等于空,表示已经有线程在等待获取队列的头元素。所以使用await方法让当前线程等待信号。如果leader等于空,则把当前线程设置成leader,并使用awaitNanos方法让当前线程等待接收信号或等待delay时间。

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。

支持公平访问队列。默认情况下线程采用非公平性策略访问队列。使用以下构造方法可以创建公平性访问的SynchronousQueue,如果设置为true,则等待的线程会采用先进先出的顺序访问队列。

public SynchronousQueue(booleanfair) {

       transferer= fair ? newTransferQueue() :newTransferStack();

    }

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。

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。

   transfer方法。如果当前有消费者正在等待接收元素(消费者使用take()方法或带时间限制的poll()方法时),transfer方法可以把生产者传入的元素立刻transfer(传输)给消费者。如果没有消费者在等待接收元素,transfer方法会将元素存放在队列的tail节点,并等到该元素被消费者消费了才返回。

  transfer方法的关键代码如下:

Node pred = tryAppend(s, haveData);

return awaitMatch(s, pred, e, (how ==TIMED), nanos);

第一行代码是试图把存放当前元素的s节点作为tail节点。第二行代码是让CPU自旋等待消费者消费元素。因为自旋会消耗CPU,所以自旋一定的次数后使用Thread.yield()方法来暂停当前正在执行的线程,并执行其他线程。 

   tryTransfer方法。则是用来试探下生产者传入的元素是否能直接传给消费者。如果没有消费者等待接收元素,则返回false。和transfer方法的区别是tryTransfer方法无论消费者是否接收,方法立即返回。而transfer方法是必须等到消费者消费了才返回。

对于带有时间限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法,则是试图把生产者传入的元素直接传给消费者,但是如果没有消费者消费该元素则等待指定的时间再返回,如果超时还没消费元素,则返回false,如果在超时时间内消费了元素,则返回true。

 

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时可以设置容量防止其过渡膨胀。另外双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。

阻塞队列的实现原理

如果队列是空的,消费者会一直等待,当生产者添加元素时候,消费者是如何知道当前队列有元素的呢?如果让你来设计阻塞队列你会如何设计,让生产者和消费者能够高效率的进行通讯呢?让我们先来看看JDK是如何实现的。

使用通知模式实现。所谓通知模式,就是当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞住生产者,当消费者消费了一个队列中的元素后,会通知生产者当前队列可用。通过查看JDK源码发现ArrayBlockingQueue使用了Condition来实现,代码如下:

privatefinalConditionnotFull;

privatefinalConditionnotEmpty;

 

public ArrayBlockingQueue(intcapacity,booleanfair) {

        //省略其他代码

        notEmpty=lock.newCondition();

       notFull= lock.newCondition();

    }

 

public void put(E e)throwsInterruptedException {

        checkNotNull(e);

       finalReentrantLock lock =this.lock;

        lock.lockInterruptibly();

       try{

           while(count==items.length)

               notFull.await();

            insert(e);

        }finally{

            lock.unlock();

        }

}

 

public E take()throwsInterruptedException {

       finalReentrantLock lock =this.lock;

        lock.lockInterruptibly();

       try{

           while(count== 0)

               notEmpty.await();

           return extract();

        }finally{

            lock.unlock();

        }

}

 

private void insert(E x) {

       items[putIndex] = x;

       putIndex= inc(putIndex);

        ++count;

       notEmpty.signal();

    }

 

当我们往队列里插入一个元素时,如果队列不可用,

阻塞生产者主要通过LockSupport.park(this);来实现

public final void await()throwsInterruptedException {

           if(Thread.interrupted())

               throw new InterruptedException();

           Node node = addConditionWaiter();

           int savedState = fullyRelease(node);

           int interruptMode = 0;

           while(!isOnSyncQueue(node)) {

                LockSupport.park(this);

               if((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)

                   break;

            }

           if(acquireQueued(node, savedState) && interruptMode !=THROW_IE)

                interruptMode =REINTERRUPT;

           if(node.nextWaiter!=null)// clean up if cancelled

                unlinkCancelledWaiters();

           if(interruptMode != 0)

                reportInterruptAfterWait(interruptMode);

        }

继续进入源码,发现调用setBlocker先保存下将要阻塞的线程,然后调用unsafe.park阻塞当前线程。

public static void park(Object blocker) {

        Thread t = Thread.currentThread();

        setBlocker(t, blocker);

        unsafe.park(false, 0L);

        setBlocker(t,null);

    }

unsafe.park是个native方法,代码如下:

public native void park(boolean isAbsolute, long time);

park这个方法会阻塞当前线程,只有以下四种情况中的一种发生时,该方法才会返回。

1.      与park对应的unpark执行或已经执行时。注意:已经执行是指unpark先执行,然后再执行的park。

2.      线程被中断时。

3.      等待完time参数指定的毫秒数时。

4.      异常现象时,这个异常现象没有任何原因。

我们继续看一下JVM是如何实现park方法的,park在不同的操作系统使用不同的方式实现,在Linux下是使用的是系统方法pthread_cond_wait实现。实现代码在JVM源码路径src/os/linux/vm/os_linux.cpp里的os::PlatformEvent::park方法,代码如下:

void os::PlatformEvent::park() {     

    intv ;

         for(;;) {

           v = _Event ;

         if(Atomic::cmpxchg (v-1, &_Event, v) == v)break;

          }

          guarantee (v >= 0,"invariant") ;

         if(v == 0) {

         // Do this the hard way by blocking ...

         intstatus = pthread_mutex_lock(_mutex);

          assert_status(status == 0, status,"mutex_lock");

          guarantee (_nParked == 0,"invariant") ;

          ++ _nParked ;

          while(_Event < 0) {

          status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);

         // for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ...

         // Treat this the same as if the wait was interrupted

         if(status == ETIME) { status = EINTR; }

          assert_status(status == 0 || status == EINTR, status,"cond_wait");

          }

          -- _nParked ;

         

         // In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(),

         // but then we'd need a MEMBAR after the ST.

          _Event = 0 ;

          status = pthread_mutex_unlock(_mutex);

          assert_status(status == 0, status,"mutex_unlock");

          }

          guarantee (_Event >= 0,"invariant") ;

          }

 

    }

pthread_cond_wait是一个多线程的条件变量函数,cond是condition的缩写,字面意思可以理解为线程在等待一个条件发生,这个条件是一个全局变量。这个方法接收两个参数,一个共享变量_cond,一个互斥量_mutex。而unpark方法在linux下是使用pthread_cond_signal实现的。park在windows下则是使用WaitForSingleObject实现的。想知道pthread_cond_wait是如何实现的,可以参考glibc-2.5的nptl/sysdeps/pthread/pthread_cond_wait.c

 

当线程被阻塞队列阻塞时,线程会进入WAITING (parking)状态。我们可以使用jstack dump阻塞的生产者线程看到这点:

"main" prio=5 tid=0x00007fc83c000000 nid=0x10164e000 waiting on condition [0x000000010164d000]

   java.lang.Thread.State: WAITING (parking)

        at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)

        - parking to wait for  <0x0000000140559fe8> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject)

        at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186)

        at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2043)

        at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.put(ArrayBlockingQueue.java:324)

        at blockingqueue.ArrayBlockingQueueTest.main(ArrayBlockingQueueTest.java:11)

 

参考资料

l  JDK6.0阻塞队列API文档

l  JDK1.7源码

l  JVM Park的windows实现

l  JVM Park的linux实现代码

 

分享到:
评论

相关推荐

    聊聊并发(一)深入分析Volatile的实现原理

    在Java中,Volatile的实现依赖于硬件级别的内存屏障指令。当写入Volatile变量时,会插入一个写屏障,防止后续的指令提前执行;当读取Volatile变量时,会插入一个读屏障,防止之前的指令延迟执行。这样就保证了...

    聊聊并发(5)原子操作的实现原理Java开发Java经验技

    Java中提供了`java.util.concurrent.atomic`包,该包包含了一系列的原子类,如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。这些类提供的原子操作主要基于硬件层面的CAS(Compare and Swap,比较并交换)指令来...

    聊聊并发(6)ConcurrentLinkedQueue的

    【标题】:“聊聊并发(6)ConcurrentLinkedQueue的实现原理分析” 【正文】: 并发编程是现代软件开发中的重要组成部分,特别是在多核处理器和分布式系统中,有效地处理并发能够显著提升系统的性能和响应能力。...

    Java 开 发 的 聊 天 室

    在Java中开发聊天室涉及到的技术和知识点广泛,包括网络编程、多线程、并发处理、IO流、数据序列化、用户认证以及可能的数据库操作等。 1. **网络编程基础**:Java中的网络编程主要依赖于java.net包,如Socket和...

    java版QQ聊天室,支持私聊,界面美化一般

    8. **消息队列**:为了提高系统的响应速度和并发处理能力,可以使用消息队列来暂存待处理的消息,使得服务器可以批量处理或异步处理,从而降低系统压力。 9. **开源**:项目的开源属性意味着源代码对外公开,开发者...

    聊聊锁的那些事

    sun.misc.Unsafe是Java中的一个类,它提供了许多低级别的、不安全的操作,比如直接操作内存和线程。虽然这个类通常不建议使用,因为它可能破坏Java的类型安全,但在某些特定的场景下,比如实现高性能的锁机制,它...

    Java即时通讯软件项目

    为实现这一功能,可能需要设计消息队列或缓存,以处理并发的消息传输,确保消息顺序正确。 5. **群聊功能**: 群聊涉及到多个用户在同一频道进行交流。服务器需要维护一个群组结构,包含所有群成员,当有用户发送...

    20_来聊聊redis的线程模型吧?为啥单线程还能有很高的效率?.zip

    它们会将请求打包成队列,然后在一个后台线程中发送到Redis,避免阻塞主线程。 PPT.pptx可能包含更深入的Redis线程模型讲解,例如如何利用事件循环处理客户端请求,以及在高并发场景下如何保持性能。笔记.docx可能...

    容量:消息队列容量测试

    在Go语言中,由于其并发模型——goroutines和channels,天然适合实现高效的消息队列。Go的并发原语使得开发者可以轻松地创建大量并发执行的任务,这对于消息队列的实现和性能测试至关重要。 进行消息队列的容量测试...

    并发:并发任务1/2

    在Java中,主要的并发模型有线程和协程。线程是操作系统调度的基本单位,而Java提供了对线程的高级抽象,比如`Thread`类和`Runnable`接口。创建线程可以通过直接继承`Thread`类或者实现`Runnable`接口,然后通过`new...

    基于Netty+Redis+protobuf开发的即时通讯服务器.zip

    在项目实现过程中,开发者可能需要编写protobuf定义文件(.proto),声明消息类型和结构,然后生成对应的Java类。接着,通过Netty的ByteBuf接口,将protobuf编码后的字节流发送到网络,或者接收解码后的字节流并恢复...

    一文聊透 Netty 核心引擎 Reactor 的运转架构.doc

    当需要执行非I/O任务时,Reactor会将任务提交到队列,由专门的工作线程进行处理,确保了I/O线程不会被阻塞,从而维持高并发性能。 总的来说,Netty的Reactor模型通过高效地处理I/O事件和调度任务执行,实现了网络...

    websocket实现的简单的单聊多聊程序

    这里可能涉及并发处理和性能优化,例如使用异步队列避免阻塞,或者限制广播速率以防止网络拥塞。 JSON作为数据交换格式,因其简洁和易读性,在WebSocket通信中广泛使用。每个消息都封装成JSON对象,便于客户端和...

    Netty大纲-同步netty专栏

    Netty 底层基于 NIO(非阻塞I/O)库,允许开发者创建高效的并发服务器,同时处理大量并发连接。本文将深入探讨Netty的基础、进阶特性以及优化策略。 1. **NIO基础** - **三大组件**:在Java NIO中,主要包括`...

    TCP.rar_tcp 多线程_tcp群聊_多线程 TCP

    5. **消息队列**:为了实现群聊和单聊,服务器可能需要一个消息队列来存储和分发消息。群聊消息将广播给所有在线用户,而单聊消息则定向发送给指定的接收者。 6. **并发处理**:多线程环境下,需要考虑线程安全问题...

    AsyncDemo.zip

    总结起来,`@Async`是Spring Boot中实现异步任务的关键工具,通过合理配置和使用,可以显著提升应用的并发处理能力,优化系统性能。在这个`AsyncDemo`中,我们可以看到如何设置和使用`@Async`,以及如何在实际场景中...

    会议聊天室室程序设计开发

    可以使用多线程或多进程模型,或者利用非阻塞I/O或事件驱动(如Epoll、Kqueue等)的方式实现高并发。 4. **数据结构和算法**:为了高效地管理用户、聊天记录和房间信息,需要合理使用数据结构(如链表、队列、哈希...

    VC做的聊天室

    每个新连接的客户端都会被分配到一个独立的线程,这样可以确保每个用户的交互不会阻塞其他用户,提高系统的并发性能。 3. **网络编程**:聊天室需要通过TCP/IP协议进行数据传输。VC++中的`Winsock`库提供了网络编程...

Global site tag (gtag.js) - Google Analytics