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学习互联网架构第十一课(并发类容器之Queue)

2017-06-28 23:41 232 查看
        在并发队列上JDK提供了两套实现,一个是以ConcurrentLinkedQueue为代表的高性能队列,一个是以BlockingQueue接口为代表的阻塞队列,无论哪种都继承自Queue。如下图所示。


        

           首先我们来学ConcurrentLinkedQueue,ConcurrentLinkedQueue:是一个适用于高并发场景下的队列,通过无锁的方式,实现了高并发状态下的高性能,通常ConcurrentLinkedQueue性能好于BlockingQueue。它是一个基于链接节点的无界线程安全队列。该队列的元素遵循先进先出的原则。头是最先加入的,尾是最近加入的,该队列不允许null元素。

        ConcurrentLinkedQueue重要方法:

        add()和offer()都是加入元素的方法(在ConcurrentLinkedQueue中,这两个方法没有任何区别,大家可能有疑问,既然两个没有区别为何还要弄两个方法,这是因为这两个方法都继承自父类Queue,在其它场景下是可能不一样的)

        poll()和peek()都是取头元素节点,区别在于前者会删除元素,后者不会。

        下面我们来看个例子,如下所示。这是最常用的几个方法。

package com.internet.queue;

import java.util.Iterator;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;

public class UseQueue {
public static void main(String[] args) {
//高性能无阻塞无界队列:ConcurrentLinkedQueue
ConcurrentLinkedQueue<String> concurrentLinkedQueue = new ConcurrentLinkedQueue<String>();
concurrentLinkedQueue.offer("a");
concurrentLinkedQueue.add("b");
concurrentLinkedQueue.offer("c");
concurrentLinkedQueue.add("d");

System.out.println(concurrentLinkedQueue.poll());//取出第一个元素并删除
System.out.println(concurrentLinkedQueue.size());//打印队列的大小
System.out.println(concurrentLinkedQueue.peek());//取出第一个元素,不删除
System.out.println(concurrentLinkedQueue.size());//打印队列的大小
System.out.println("--------------------------------------------------------");
for (Iterator iterator = concurrentLinkedQueue.iterator(); iterator.hasNext();) {
String str = (String) iterator.next();
System.out.println(str);
}
}
}
        上面运行结果如下所示。

a
3
b
3
--------------------------------------------------------
b
c
d
          下面我们来验证ConcurrentLinkedQueue是线程安全的,我们向队列里添加一个元素,然后用多个线程去获取队列中的这个元素,如下所示。

package com.internet.queue;

import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;

public class UseQueue {
public static void main(String[] args) {
//高性能无阻塞无界队列:ConcurrentLinkedQueue
ConcurrentLinkedQueue<String> concurrentLinkedQueue = new ConcurrentLinkedQueue<String>();
concurrentLinkedQueue.offer("a");

Thread t1 = new Thread(new Runnable() {

@Override
public void run() {
//不要使用.size()方法,因为那样效率非常低
if(!concurrentLinkedQueue.isEmpty()){
System.out.println("进入线程1");
String str = concurrentLinkedQueue.poll();
System.out.println("线程1取出的元素:"+str);
}
}
},"t1");
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {

@Override
public void run() {
//不要使用.size()方法,因为那样效率非常低
if(!concurrentLinkedQueue.isEmpty()){
System.out.println("进入线程2");
String str = concurrentLinkedQueue.poll();
System.out.println("线程2取出的元素:"+str);
}
}
},"t2");
Thread t3 = new Thread(new Runnable() {

@Override
public void run() {
//不要使用.size()方法,因为那样效率非常低
if(!concurrentLinkedQueue.isEmpty()){
System.out.println("进入线程3");
String str = concurrentLinkedQueue.poll();
System.out.println("线程3取出的元素:"+str);
}
}
},"t3");
Thread t4 = new Thread(new Runnable() {

@Override
public void run() {
//不要使用.size()方法,因为那样效率非常低
if(!concurrentLinkedQueue.isEmpty()){
System.out.println("进入线程4");
String str = concurrentLinkedQueue.poll();
System.out.println("线程4取出的元素:"+str);
}
}
},"t4");
Thread t5 = new Thread(new Runnable() {

@Override
public void run() {
//不要使用.size()方法,因为那样效率非常低
if(!concurrentLinkedQueue.isEmpty()){
System.out.println("进入线程5");
String str = concurrentLinkedQueue.poll();
System.out.println("线程5取出的元素:"+str);
}
}
},"t5");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t4.start();
t5.start();
}
}
         其中一次运行结果如下所示,可以看到,能取出元素的只有一个线程,无论执行多少次,都只有一个线程能够获取到元素a,其它线程获取的都是null。注意判断队列是否为空时,不要使用.size()方法,因为.size() 是要遍历一遍集合的,因此比较慢,使用isEmpty()效率比较高。

进入线程1
进入线程4
进入线程3
进入线程2
线程3取出的元素:null
线程2取出的元素:null
线程4取出的元素:null
线程1取出的元素:a
        下面来学习下常见的几个阻塞队列,由于底层源码都比较难懂,我这里还是只说用法,想深入研究的同学可以去查看源码。
第一个:ArrayBlockingQueue

         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,其内部没实现读写分离,也就意味着生产和消费不能完全并行,长度是需要定义的,可以指定先进先出或者先进后出,也叫有界队列,在很多场合非常适用。

         之所以说ArrayBlockingQueue是有界队列,是因为我们在使用该队列时必须指定队列的容量大小,如下图所示,三种实例化方式都必须有"int capacity"(容量大小)。



         ArrayBlockingQueue向队列添加元素有三种方法,分别是put、add、offer。这三个方法虽然都是添加元素,但是作用却不同。首先我们来看下put方法,如下所示,我们给队列设置容量为5,然后故意向容器中添加6个元素,看是什么效果。

package com.internet.queue;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

public class UseQueue {
public static void main(String[] args) throws Exception {
ArrayBlockingQueue<String> array = new ArrayBlockingQueue<>(5);
array.put("a");
array.put("b");
array.put("c");
array.put("d");
array.put("e");
array.put("f");
}
}
         上面代码执行效果如下图,可以看到,线程一直处于running状态,这是因为put将指定元素插入到此队列的尾部,如有必要,则等待空间变得可用。现在第六个元素由于插入不到队列当中,它就在这儿等着,什么时候有元素从队列中出去了,它就插入到队列当中。



          下面我们再试试add方法,代码如下所示。

package com.internet.queue;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

public class UseQueue {
public static void main(String[] args) throws Exception {
ArrayBlockingQueue<String> array = new ArrayBlockingQueue<>(5);
array.add("a");
array.add("b");
array.add("c");
array.add("d");
array.add("e");
array.add("f");
}
}
         运行结果如下图,可以看到抛出了异常,说队列已经满了,盛不下第六个元素了。add方法的作用便是:将指定的元素插入到此队列中(如果立即可行且不会违反容量限制),在成功时返回 true,如果当前没有可用空间,则抛出 IllegalStateException。



          下面我们再看下offer方法,代码如下:

package com.internet.queue;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class UseQueue {
public static void main(String[] args) throws Exception {
ArrayBlockingQueue<String> array = new ArrayBlockingQueue<>(5);
array.offer("a");
array.offer("b");
array.offer("c");
array.offer("d");
array.offer("e");
System.out.println(array.offer("f",3,TimeUnit.SECONDS));
}
}
        下面是运行结果,可以看到offer返回的是bool类型的值,offer方法将指定元素插入到此队列的尾部(如果立即可行且不会超出此队列的容量),在成功时返回 true,如果此队列已满,则返回 false。当使用有容量限制的队列时,此方法通常要优于 add 方法,后者可能无法插入元素,而只是抛出一个异常。



 第二个:LinkedBlockingQueue

          举个例子如下:



         代码如下,其中q.drainTo(list,3)是一次性把队列中的三个元素都存放到list当中,返回值是成功从队列中取出的元素个数。我们说LinkedBlockingQueue是无界队列是因为我们可以不设置队列的长度,这样队列便是无界的。

package com.internet.queue;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

public class UseQueue {
public static void main(String[] args) {
//改队列可以是无界队列也可以是有界队列,不指定长度便是无界队列,指定长度便是有界队列
LinkedBlockingQueue<String> q = new LinkedBlockingQueue<String>();
q.offer("a");
q.offer("b");
q.offer("c");
q.offer("d");
q.offer("e");
q.offer("f");
List<String> list = new ArrayList<String>();
System.out.println(q.drainTo(list,3));
System.out.println(list.size());
for(String str : list){
System.out.println(str);
}
}
}
       运行结果如下:

3
3
a
b
c


       但是如果给LinkedBlockingQueue指定长度的话,它就变成了有界队列,比如我们把LinkedBlockingQueue的长度设置为5,超出队列的话,将无法再添加元素,如下图所示。



          运行结果如下图所示,q.offer()方法如果返回true表示添加成功,返回false表示添加失败。可见第6个元素并没有成功添加。



第三个:SynchronousQueue

         这个队列非常特殊,它不能装任何元素。      

package com.internet.queue;

import java.util.concurrent.SynchronousQueue;

public class UseQueue {
public static void main(String[] args) {
SynchronousQueue<String> q = new SynchronousQueue<>();
System.out.println(q.offer("a"));
}
}
        运行结果如下图所示



        下面看个例子,这个例子,貌似SynchronousQueue可以添加元素,如下所示。但是其实SynchronousQueue依然是没有存储元素的,这里之所以没有报错,是因为我们先启动了一个线程t1要消费SynchronousQueue这个队列中的元素,线程t2要向SynchronousQueue队列添加一个元素,这时候会发生什么呢?这时候,线程t2并不会真的把元素添加到队列中,而是直接将要添加的元素交给线程t1了。也就是说,SynchronousQueue队列还是不会真正存储元素的。

package com.internet.queue;

import java.util.concurrent.SynchronousQueue;

public class UseQueue {
public static void main(String[] args) {
final SynchronousQueue<String> q = new SynchronousQueue<String>();
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {

@Override
public void run() {
try {
System.out.println(q.take());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
t1.start();
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {

@Override
public void run() {
q.add("ffasss");
}
});
t2.start();
}
}


          肯定有些人会有疑问,既然SynchronousQueue不能装任何元素的话,那么要它有何用?还有就是有界队列和无界队列的应用场景是什么呢?如下图所示。



第四个: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,也就是说传入队列的对象必须实现Comparable接口),在实现PriorityBlockingQueue时,内部控制线程同步的锁采用的是公平锁,他也是一个无界的队列。下面我们便以一个小例子来说明。

         参与比较的对象必须实现Comparable接口,如下所示,重写了compareTo方法,用id来进行比较。

package com.internet.queue;

public class Task implements Comparable<Task>{
private int id;
private String name;

public int getId() {
return id;
}

public void setId(int id) {
this.id = id;
}

public String getName() {
return name;
}

public void setName(String name) {
this.name = name;
}

@Override
public int compareTo(Task task) {
return this.id > task.id ? 1 : (this.id < task.id ? -1 : 0);
}

}
          下面我们使用PriorityBlockingQueue ,如下所示。

package com.internet.queue;

import java.util.Iterator;
import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;

public class UsePriorityBlockingQueue {
public static void main(String[] args) {
PriorityBlockingQueue<Task> q = new PriorityBlockingQueue<Task>();
Task t1 = new Task();
t1.setId(3);
t1.setName("任务1");
Task t2 = new Task();
t2.setId(6);
t2.setName("任务2");
Task t3 = new Task();
t3.setId(1);
t3.setName("任务3");
q.add(t1);
q.add(t2);
q.add(t3);
//添加到队列里面的元素还是没有顺序的
for (Iterator iterator = q.iterator(); iterator.hasNext();) {
Task task = (Task) iterator.next();
System.out.println(task.getName());
}
//只有当往外取数据的时候才有顺序
try {
System.out.println(q.take().getId());
System.out.println(q.take().getId());
System.out.println(q.take().getId());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}

}
}
         我们运行main方法,可以看到结果如下所示,可以看到,添加到队列里的对象其实是没有顺序的(任务3对应的对象的id是1,任务2对应的对象的id是6,任务1对应的对象的id是3),而我们往外取的时候可以看到取出的顺序是1、3、6,符合排序规则。

任务3
任务2
任务1
1
3
6

第五个:DelayQueue

        带有延迟时间的Queue,其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该元素。DelayQueue中的元素必须实现Delayed接口,DelayQueue是一个没有大小限制的队列,应用场景很多,比如对缓存超时的数据进行移除、任务超时处理、空闲连接的关闭等等。

        下面我们便来看一个网民在网吧上网的例子,首先我们来新建一个网民类,如下所示

package com.internet.queue;

import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
* 网民类
* @author wanghaijie
*
*/
public class Wangmin implements Delayed{
//网名
private String name;
//身份证号
private String id;
//截止时间
private long endTime;
//定义时间工具类,以秒为单位
private TimeUnit timeUnit = TimeUnit.SECONDS;

public Wangmin(String name,String id,long endTime){
this.name = name;
this.id = id;
this.endTime = endTime;
}

public String getName() {
return name;
}

public void setName(String name) {
this.name = name;
}

public String getId() {
return id;
}

public void setId(String id) {
this.id = id;
}

public long getEndTime() {
return endTime;
}

public void setEndTime(long endTime) {
this.endTime = endTime;
}

@Override
public int compareTo(Delayed delayed) {
Wangmin w = (Wangmin)delayed;
return this.getDelay(this.timeUnit) - w.getDelay(this.timeUnit) > 0 ? 1:0;
}

@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(endTime, TimeUnit.MILLISECONDS) - unit.convert(System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
}

}
         下面我们便来使用DelayQueue,如下所示

package com.internet.queue;

import java.util.concurrent.DelayQueue;

public class WangBa implements Runnable{
//延迟队列
private DelayQueue<Wangmin> queue = new DelayQueue<>();
//是否营业的标志
public boolean yingye = true;

//上机方法,为了测试方便,规定交1块钱只能上1秒网。
public void shangji(String name, String id, int money){
//第三个参数是下机时间,上网时长加上当前时间就是下机时间
Wangmin man = new Wangmin(name, id, 1000*money + System.currentTimeMillis());
System.out.println("网名"+man.getName()+" 身份证"+man.getId()+" 交钱"+money+"块,开始上机...");
this.queue.add(man);
}

public void xiaji(Wangmin man){
System.out.println("网名"+man.getName()+" 身份证"+man.getId()+"时间到下机...");
}

@Override
public void run() {
while(yingye){
try {
Wangmin man = queue.take();
xiaji(man);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

public static void main(String[] args){
try {
System.out.println("网吧开始营业");
WangBa wangBa = new WangBa();
Thread shangwang = new Thread(wangBa);
shangwang.start();

wangBa.shangji("路人甲", "123", 1);
wangBa.shangji("路人乙", "234", 10);
wangBa.shangji("路人丙", "345", 5);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}

}
         运行main方法,结果如下所示,可见,DelayQueue在处理网吧上网的问题上还是非常方便的。

网吧开始营业
网名路人甲 身份证123 交钱1块,开始上机...
网名路人乙 身份证234 交钱10块,开始上机...
网名路人丙 身份证345 交钱5块,开始上机...
网名路人甲 身份证123时间到下机...
网名路人丙 身份证345时间到下机...
网名路人乙 身份证234时间到下机...         
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