BlockingQueue

循环队列与优先级队列的Java实现

 

1、注意Queue、BlockingQueue都是接口

 

public interface Queue<E> extends Collection<E> {
   
    boolean add(E e);
  
    boolean offer(E e);

    E remove();

    E poll();

    E element();
    
    E peek();
}

 

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {
   
    //将指定的元素添加到此队列中（如果立即可行），在成功时返回 true，其他情况则抛出 IllegalStateException。
    boolean add(E e);		
	
	//将指定元素添加到此队列中，如果没有可用空间，将一直等待（如果有必要）
    void put(E e) throws InterruptedException;
	
	//将指定元素插入此队列中
    boolean offer(E e);
	
    //将指定的元素插入此队列中，如果没有可用空间，将等待指定的等待时间
    boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;
  
  
  
	//检索并移除此队列的头部，如果此队列不存在任何元素，则一直等待
    E take() throws InterruptedException;
   
    //检索并移除此队列的头部，如果此队列中没有任何元素，则等待指定等待的时间（如果有必要）
    E poll(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;
	
	
	//从队列中删除指定元素
	 boolean remove(Object o);    
		
	public boolean contains(Object o);   	
		
	//返回在无阻塞的理想情况下（不存在内存或资源约束）此队列能接受的元素数量；如果没有内部限制，则返回 Integer.MAX_VALUE
    int remainingCapacity();   
		
    
	
	//移除此队列中所有可用的元素，并将它们添加到给定 collection 中
    int drainTo(Collection<? super E> c);   
	
	//最多从此队列中移除给定数量的可用元素，并将这些元素添加到给定 collection 中
    int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements);
}

 

 常见BlockingQueue

 

1. ArrayBlockingQueue

     

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {

    private final E[] items;
	
    /** items index for next take, poll or remove */
    private int takeIndex;
	
    /** items index for next put, offer, or add. */
    private int putIndex;

    private int count;
	
	/*ArrayBlockingQueue在生产者放入数据和消费者获取数据，都是共用同一个锁对象，
	* 由此也意味着两者无法真正并行运行，这点尤其不同于LinkedBlockingQueue
	*/
    private final ReentrantLock lock;

    private final Condition notEmpty;

    private final Condition notFull;
	
	...	
}

 

final int inc(int i) {
	return (++i == items.length)? 0 : i;
}	

//塞数据、取数据内部主要引用这两个方法

//塞数据：
private void insert(E x) {
	items[putIndex] = x;
	putIndex = inc(putIndex);
	++count;
	notEmpty.signal();
}

	
//取数据：
private E extract() {
	final E[] items = this.items;
	E x = items[takeIndex];
	items[takeIndex] = null;
	takeIndex = inc(takeIndex);
	--count;
	notFull.signal();
	return x;
}

 从 extract()方法里可见，tabkeIndex维护一个可以提取/移除元素的索引位置，因为takeIndex是从0递增的，所以这个类是FIFO队列。

putIndex维护一个可以插入的元素的位置索引。

count显然是维护队列中已经存在的元素总数。

 

ArrayBlockingQueue是JAVA5中的一个阻塞队列，能够自定义队列大小，当插入时，如果队列已经没有空闲位置，那么新的插入线程将阻塞到该队列，一旦该队列有空闲位置，那么阻塞的线程将执行插入。从队列中取数据为：take，放数据为:put

 

 

     基于数组的阻塞队列实现，在ArrayBlockingQueue内部，维护了一个定长数组，以便缓存队列中的数据对象，这是一个常用的阻塞队列，除了一个定长数组外，ArrayBlockingQueue内部还保存着两个整形变量，分别标识着队列的头部和尾部在数组中的位置。

 

　　ArrayBlockingQueue在生产者放入数据和消费者获取数据，都是共用同一个锁对象，由此也意味着两者无法真正并行运行，这点尤其不同于LinkedBlockingQueue；按照实现原理来分析，ArrayBlockingQueue完全可以采用分离锁，从而实现生产者和消费者操作的完全并行运行。Doug Lea之所以没这样去做，也许是因为ArrayBlockingQueue的数据写入和获取操作已经足够轻巧，以至于引入独立的锁机制，除了给代码带来额外的复杂性外，其在性能上完全占不到任何便宜。 ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue间还有一个明显的不同之处在于，前者在插入或删除元素时不会产生或销毁任何额外的对象实例，而后者则会生成一个额外的Node对象。这在长时间内需要高效并发地处理大批量数据的系统中，其对于GC的影响还是存在一定的区别。而在创建ArrayBlockingQueue时，我们还可以控制对象的内部锁是否采用公平锁，默认采用非公平锁。

 

 

2. LinkedBlockingQueue

     

public class LinkedBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
    
    static class Node<E> {
	
        E item; 
        Node<E> next;
		
        Node(E x) { item = x; }
    }

    /** The capacity bound, or Integer.MAX_VALUE if none */
    private final int capacity;

    /** Current number of elements */
    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);


    private transient Node<E> head;
    private transient Node<E> last;


    private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
	private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
	
    private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
    private final Condition notFull = putLock.newCondition();	
	...
}

 

     基于链表的阻塞队列，同ArrayListBlockingQueue类似，其内部也维持着一个数据缓冲队列（该队列由一个链表构成），当生产者往队列中放入一个数据时，队列会从生产者手中获取数据，并缓存在队列内部，而生产者立即返回；只有当队列缓冲区达到最大值缓存容量时（LinkedBlockingQueue可以通过构造函数指定该值），才会阻塞生产者队列，直到消费者从队列中消费掉一份数据，生产者线程会被唤醒，反之对于消费者这端的处理也基于同样的原理。

 而LinkedBlockingQueue之所以能够高效的处理并发数据，还因为其对于生产者端和消费者端分别采用了独立的锁来控制数据同步，这也意味着在高并发的情况下生产者和消费者可以并行地操作队列中的数据，以此来提高整个队列的并发性能。

 

作为开发者，我们需要注意的是，如果构造一个LinkedBlockingQueue对象，而没有指定其容量大小，LinkedBlockingQueue会默认一个类似无限大小的容量（Integer.MAX_VALUE），这样的话，如果生产者的速度一旦大于消费者的速度，也许还没有等到队列满阻塞产生，系统内存就有可能已被消耗殆尽了。

 

ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue是两个最普通也是最常用的阻塞队列，一般情况下，在处理多线程间的生产者消费者问题，使用这两个类足以。

 

 

3. DelayQueue

      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是一个没有大小限制的队列，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。

使用场景：

　　DelayQueue使用场景较少，但都相当巧妙，常见的例子比如使用一个DelayQueue来管理一个超时未响应的连接队列。

 

 

4. PriorityBlockingQueue

      基于优先级的阻塞队列（优先级的判断通过构造函数传入的Compator对象来决定），但需要注意的是PriorityBlockingQueue并不会阻塞数据生产者，而只会在没有可消费的数据时，阻塞数据的消费者。因此使用的时候要特别注意，生产者生产数据的速度绝对不能快于消费者消费数据的速度，否则时间一长，会最终耗尽所有的可用堆内存空间。在实现PriorityBlockingQueue时，内部控制线程同步的锁采用的是公平锁。

 

 

5. SynchronousQueue

      一种无缓冲的等待队列，类似于无中介的直接交易，有点像原始社会中的生产者和消费者，生产者拿着产品去集市销售给产品的最终消费者，而消费者必须亲自去集市找到所要商品的直接生产者，如果一方没有找到合适的目标，那么对不起，大家都在集市等待。相对于有缓冲的BlockingQueue来说，少了一个中间经销商的环节（缓冲区），如果有经销商，生产者直接把产品批发给经销商，而无需在意经销商最终会将这些产品卖给那些消费者，由于经销商可以库存一部分商品，因此相对于直接交易模式，总体来说采用中间经销商的模式会吞吐量高一些（可以批量买卖）；但另一方面，又因为经销商的引入，使得产品从生产者到消费者中间增加了额外的交易环节，单个产品的及时响应性能可能会降低。

 

声明一个SynchronousQueue有两种不同的方式，它们之间有着不太一样的行为。公平模式和非公平模式的区别:

　　如果采用公平模式：SynchronousQueue会采用公平锁，并配合一个FIFO队列来阻塞多余的生产者和消费者，从而体系整体的公平策略；

　　但如果是非公平模式（SynchronousQueue默认）：SynchronousQueue采用非公平锁，同时配合一个LIFO队列来管理多余的生产者和消费者，而后一种模式，如果生产者和消费者的处理速度有差距，则很容易出现饥渴的情况，即可能有某些生产者或者是消费者的数据永远都得不到处理。

 

 

 

小结

　　BlockingQueue不光实现了一个完整队列所具有的基本功能，同时在多线程环境下，他还自动管理了多线间的自动等待于唤醒功能，从而使得程序员可以忽略这些细节，关注更高级的功能。 

 

 

 并发容器-BlockingQueue相关类

 

。。。

 

评论

1 楼 liuyatao 2015-08-20