Java并发编程:阻塞队列
  fztgkkRjHIsV 2023年11月09日 20 0


Java并发编程:阻塞队列

  在前面几篇文章中,我们讨论了同步容器(Hashtable、Vector),也讨论了并发容器(ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList),这些工具都为我们编写多线程程序提供了很大的方便。今天我们来讨论另外一类容器:阻塞队列。

  在前面我们接触的队列都是非阻塞队列,比如PriorityQueue、LinkedList(LinkedList是双向链表,它实现了Dequeue接口)。

  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。

  本文先讲述一下java.util.concurrent包下提供主要的几种阻塞队列,然后分析了阻塞队列和非阻塞队列的中的各个方法,接着分析了阻塞队列的实现原理,最后给出了一个实际例子和几个使用场景。

  一.几种主要的阻塞队列

  二.阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法

  三.阻塞队列的实现原理

  四.示例和使用场景

  若有不正之处请多多谅解,并欢迎批评指正。

  请尊重作者劳动成果,转载请标明原文链接:

   

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。

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;

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:

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;         


          }


   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:

public           ArrayBlockingQueue(          int           capacity) {         


          }         


          public           ArrayBlockingQueue(          int           capacity,           boolean           fair) {         


                    


          }         


          public           ArrayBlockingQueue(          int           capacity,           boolean           fair,         


                    Collection<?           extends           E> c) {         


          }


   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():

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,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:

private           void           insert(E x) {         


                    items[putIndex] = x;         


                    putIndex = inc(putIndex);         


                    ++count;         


                    notEmpty.signal();         


          }


   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:

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;         


          }


   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:

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()));         


                    }         


                    }         


                    }         


                    }         


          }


   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:

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();         


                    }         


                    }         


                    }         


                    }         


          }


   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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最后一次编辑于 2023年11月09日 0

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