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java 多线程阻塞队列 与 阻塞方法与和非阻塞方法

2024-09-10 06:12:41   217人阅读

Queue是什么

队列，是一种数据结构。除了优先级队列和LIFO队列外，队列都是以FIFO（先进先出）的方式对各个元素进行排序的。无论使用哪种排序方式，队列的头都是调用remove()或poll()移除元素的。在FIFO队列中，所有新元素都插入队列的末尾。队列都是线程安全的，内部已经实现安全措施，不用我们担心

 

Queue中的方法

Queue中的方法不难理解，6个，每2对是一个也就是总共3对。看一下JDK API就知道了：

技术分享

注意一点就好，Queue通常不允许插入Null，尽管某些实现（比如LinkedList）是允许的，但是也不建议。



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。

一.几种主要的阻塞队列

　自从Java 1.5之后，在java.util.concurrent包下提供了若干个阻塞队列，主要有以下几个：

　　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。


二.阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法
 
1.非阻塞队列中的几个主要方法：
 
　　add(E e):将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则会抛出异常；
 
　　remove()：移除队首元素，若移除成功，则返回true；如果移除失败（队列为空），则会抛出异常；
 
　　offer(E e)：将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则返回false；
 
　　poll()：移除并获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null；
 
　　peek()：获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null
 

　　对于非阻塞队列，一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法，不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意，非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。

//在这篇笔记中没有介绍非阻塞队列，大部分阻塞队列都可以有非阻塞方法和阻塞方法
 
2.阻塞队列中的几个主要方法：
 
　　阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法，上面列举的5个方法在阻塞队列中都存在，但是要注意这5个方法在阻塞队列中都进行了同步措施。除此之外，阻塞队列提供了另外4个非常有用的方法：
 
　　put(E e)
 
　　take()
 
　　offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)
 
　　poll(long timeout, TimeUnit unit)
 
 
 
　　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；
 

注意：

1、必须要使用take()方法在获取的时候达成阻塞结果
2、使用poll()方法将产生非阻塞效果


三.阻塞队列的实现原理
 
　　前面谈到了非阻塞队列和阻塞队列中常用的方法，下面来探讨阻塞队列的实现原理，本文以ArrayBlockingQueue为例，其他阻塞队列实现原理可能和ArrayBlockingQueue有一些差别，但是大体思路应该类似，有兴趣的朋友可自行查看其他阻塞队列的实现源码。
 
　　首先看一下ArrayBlockingQueue类中的几个成员变量：

  1. public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
  2. implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
  3.  
  4. private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;
  5.  
  6. /** The queued items  */
  7. private final E[] items;
  8. /** items index for next take, poll or remove */
  9. private int takeIndex;
  10. /** items index for next put, offer, or add. */
  11. private int putIndex;
  12. /** Number of items in the queue */
  13. private int count;
  14.  
  15. /*
  16. * Concurrency control uses the classic two-condition algorithm
  17. * found in any textbook.
  18. */
  19.  
  20. /** Main lock guarding all access */
  21. private final ReentrantLock lock;
  22. /** Condition for waiting takes */
  23. private final Condition notEmpty;
  24. /** Condition for waiting puts */
  25. private final Condition notFull;
  26. }

可以看出，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。
 
　　下面看一下ArrayBlockingQueue的构造器，构造器有三个重载版本：
  2. public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
  3. }
  4. public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
  5.  
  6. }
  7. public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
  8.                           Collection<? extends E> c) {
  9. }

　　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。
 
　　然后看它的两个关键方法的实现：put()和take()：
 
  1. public void put(E e) throws InterruptedException {
  2.     if (e == null) throw new NullPointerException();
  3.     final E[] items = this.items;
  4.     final ReentrantLock lock = this.lock;
  5.     lock.lockInterruptibly();
  6.     try {
  7.         try {
  8.             while (count == items.length)
  9.                 notFull.await();
  10.         } catch (InterruptedException ie) {
  11.             notFull.signal(); // propagate to non-interrupted thread
  12.             throw ie;
  13.         }
  14.         insert(e);
  15.     } finally {
  16.         lock.unlock();
  17.     }
  18. }

　　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，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。
 
　　我们看一下insert方法的实现：
  2. private void insert(E x) {
  3.     items[putIndex] = x;
  4.     putIndex = inc(putIndex);
  5.     ++count;
  6.     notEmpty.signal();
  7. }

　　它是一个private方法，插入成功后，通过notEmpty唤醒正在等待取元素的线程。
 
　　下面是take()方法的实现：
 
  1. public E take() throws InterruptedException {
  2.     final ReentrantLock lock = this.lock;
  3.     lock.lockInterruptibly();
  4.     try {
  5.         try {
  6.             while (count == 0)
  7.                 notEmpty.await();
  8.         } catch (InterruptedException ie) {
  9.             notEmpty.signal(); // propagate to non-interrupted thread
  10.             throw ie;
  11.         }
  12.         E x = extract();
  13.         return x;
  14.     } finally {
  15.         lock.unlock();
  16.     }
  17. }

　　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：
  2. private E extract() {
  3.     final E[] items = this.items;
  4.     E x = items[takeIndex];
  5.     items[takeIndex] = null;
  6.     takeIndex = inc(takeIndex);
  7.     --count;
  8.     notFull.signal();
  9.     return x;
  10. }

　　跟insert方法也很类似。
 
　　其实从这里大家应该明白了阻塞队列的实现原理，事实它和我们用Object.wait()、Object.notify()和非阻塞队列实现生产者-消费者的思路类似，只不过它把这些工作一起集成到了阻塞队列中实现。


四.示例和使用场景
 
　　下面先使用Object.wait()和Object.notify()、非阻塞队列实现生产者-消费者模式：
 
  1. public class Test {
  2.     private int queueSize = 10;
  3.     private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
  4.  
  5.     public static void main(String[] args)  {
  6.         Test test = new Test();
  7.         Producer producer = test.new Producer();
  8.         Consumer consumer = test.new Consumer();
  9.  
  10.         producer.start();
  11.         consumer.start();
  12.     }
  13.  
  14.     class Consumer extends Thread{
  15.  
  16.         @Override
  17.         public void run() {
  18.             consume();
  19.         }
  20.  
  21.         private void consume() {
  22.             while(true){
  23.                 synchronized (queue) {
  24.                     while(queue.size() == 0){
  25.                         try {
  26.                             System.out.println("队列空，等待数据");
  27.                             queue.wait();
  28.                         } catch (InterruptedException e) {
  29.                             e.printStackTrace();
  30.                             queue.notify();
  31.                         }
  32.                     }
  33.                     queue.poll();          //每次移走队首元素
  34.                     queue.notify();
  35.                     System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
  36.                 }
  37.             }
  38.         }
  39.     }
  40.  
  41.     class Producer extends Thread{
  42.  
  43.         @Override
  44.         public void run() {
  45.             produce();
  46.         }
  47.  
  48.         private void produce() {
  49.             while(true){
  50.                 synchronized (queue) {
  51.                     while(queue.size() == queueSize){
  52.                         try {
  53.                             System.out.println("队列满，等待有空余空间");
  54.                             queue.wait();
  55.                         } catch (InterruptedException e) {
  56.                             e.printStackTrace();
  57.                             queue.notify();
  58.                         }
  59.                     }
  60.                     queue.offer(1);        //每次插入一个元素
  61.                     queue.notify();
  62.                     System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));
  63.                 }
  64.             }
  65.         }
  66.     }
  67. }

　　这个是经典的生产者-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。
 
　　具体的线程间通信方式（wait和notify的使用）在后续问章中会讲述到。
 
　　下面是使用阻塞队列实现的生产者-消费者模式：

  1. public class Test {
  2.     private int queueSize = 10;
  3.     private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(queueSize);
  4.  
  5.     public static void main(String[] args)  {
  6.         Test test = new Test();
  7.         Producer producer = test.new Producer();
  8.         Consumer consumer = test.new Consumer();
  9.  
  10.         producer.start();
  11.         consumer.start();
  12.     }
  13.  
  14.     class Consumer extends Thread{
  15.  
  16.         @Override
  17.         public void run() {
  18.             consume();
  19.         }
  20.  
  21.         private void consume() {
  22.             while(true){
  23.                 try {
  24.                     queue.take();
  25.                     System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
  26.                 } catch (InterruptedException e) {
  27.                     e.printStackTrace();
  28.                 }
  29.             }
  30.         }
  31.     }
  32.  
  33.     class Producer extends Thread{
  34.  
  35.         @Override
  36.         public void run() {
  37.             produce();
  38.         }
  39.  
  40.         private void produce() {
  41.             while(true){
  42.                 try {
  43.                     queue.put(1);
  44.                     System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));
  45.                 } catch (InterruptedException e) {
  46.                     e.printStackTrace();
  47.                 }
  48.             }
  49.         }
  50.     }
  51. }


　有没有发现，使用阻塞队列代码要简单得多，不需要再单独考虑同步和线程间通信的问题。
 
　　在并发编程中，一般推荐使用阻塞队列，这样实现可以尽量地避免程序出现意外的错误。
 
　　阻塞队列使用最经典的场景就是socket客户端数据的读取和解析，读取数据的线程不断将数据放入队列，然后解析线程不断从队列取数据解析。还有其他类似的场景，只要符合生产者-消费者模型的都可以使用阻塞队列。


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