不惑JAVA之JAVA基础 - 阻塞队列

在学习线程池前，先要了解一下阻塞队列，这个知识点是线程池的核心。

阻塞队列的作用

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。

主要队列

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。

常用方法

put方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待；

take方法用来从队首取元素，如果队列为空，则等待；

offer方法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方法用来从队首取元素，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；

实现原理：（ArrayBlockingQueue为例）

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

private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;

/** The queued items  */
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;
/** Number of items in the queue */
private int count;

/*
* Concurrency control uses the classic two-condition algorithm
* found in any textbook.
*/

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

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。

public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {

}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
Collection<? extends E> c) {
}

构造方法方面：

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。

put方法

public void put(E e) throws InterruptedException {
if (e == null) throw new NullPointerException();
final E[] items = this.items;
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
} catch (InterruptedException ie) {
notFull.signal(); // propagate to non-interrupted thread
throw ie;
}
insert(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}

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（数组长度为定义的最大数组阻塞数）。

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。

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

来看一下inc：

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

移动队尾下标值；

添加count数；

通过notEmpty唤醒正在等待取元素的线程。

take方法

public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
} catch (InterruptedException ie) {
notEmpty.signal(); // propagate to non-interrupted thread
throw ie;
}
E x = extract();
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}

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：

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

实例

经典非阻塞队列实现生产者-消费者模式

通过阻塞队列和Object.wait()和Object.notify()实现，wait()和notify()主要用来实现线程间通信。

public class Test {
private int queueSize = 10;
private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);

public static void main(String[] args)  {
Test test = new Test();
Producer producer = test.new Producer();
Consumer consumer = test.new Consumer();

producer.start();
consumer.start();
}

class Consumer extends Thread{

@Override
public void run() {
consume();
}

private void consume() {
while(true){
synchronized (queue) {
while(queue.size() == 0){
try {
System.out.println("队列空，等待数据");
queue.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
queue.notify();
}
}
queue.poll();          //每次移走队首元素
queue.notify();
System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
}
}
}
}

class Producer extends Thread{

@Override
public void run() {
produce();
}

private void produce() {
while(true){
synchronized (queue) {
while(queue.size() == queueSize){
try {
System.out.println("队列满，等待有空余空间");
queue.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
queue.notify();
}
}
queue.offer(1);        //每次插入一个元素
queue.notify();
System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));
}
}
}
}
}

阻塞队列实现生产者-消费者模式

public class Test {
private int queueSize = 10;
private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(queueSize);

public static void main(String[] args)  {
Test test = new Test();
Producer producer = test.new Producer();
Consumer consumer = test.new Consumer();

producer.start();
consumer.start();
}

class Consumer extends Thread{

@Override
public void run() {
consume();
}

private void consume() {
while(true){
try {
queue.take();
System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}

class Producer extends Thread{

@Override
public void run() {
produce();
}

private void produce() {
while(true){
try {
queue.put(1);
System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}

Condition

在阻塞队列中，使用到了Condition，这里搜了个blog简单介绍一下。

/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;
/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;

Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition1的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。因此通常来说比较推荐使用Condition，阻塞队列实际上是使用了Condition来模拟线程间协作。

Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法；

Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition()

调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用

　　Conditon中的await()对应Object的wait()；

　　Condition中的signal()对应Object的notify()；

　　Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。

参考：

Java并发编程：阻塞队列

/article/4719078.html