java 多线程阻塞队列 与 阻塞方法与和非阻塞方法

时间：2021-01-22 07:42:05

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：

java 多线程阻塞队列 与 阻塞方法与和非阻塞方法

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*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*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. 

  2. implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
    3. 

  3.  
    4. 

  4. private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;
    5. 

  5.  
    6. 

  6. /** The queued items  */
    7. 

  7. private final E[] items;
    8. 

  8. /** items index for next take, poll or remove */
    9. 

  9. private int takeIndex;
    10. 

  10. /** items index for next put, offer, or add. */
    11. 

  11. private int putIndex;
    12. 

  12. /** Number of items in the queue */
    13. 

  13. private int count;
    14. 

  14.  
    15. 

  15. /*
    16. 

  16. * Concurrency control uses the classic two-condition algorithm
    17. 

  17. * found in any textbook.
    18. 

  18. */
    19. 

  19.  
    20. 

  20. /** Main lock guarding all access */
    21. 

  21. private final ReentrantLock lock;
    22. 

  22. /** Condition for waiting takes */
    23. 

  23. private final Condition notEmpty;
    24. 

  24. /** Condition for waiting puts */
    25. 

  25. private final Condition notFull;
    26. 

  26. }
    27.

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. 

  2. public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
    3. 

  3. }
    4. 

  4. public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
    5. 

  5.  
    6. 

  6. }
    7. 

  7. public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
    8. 

  8.                           Collection<? extends E> c) {
    9. 

  9. }
    10.

　　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. 

  2.     if (e == null) throw new NullPointerException();
    3. 

  3.     final E[] items = this.items;
    4. 

  4.     final ReentrantLock lock = this.lock;
    5. 

  5.     lock.lockInterruptibly();
    6. 

  6.     try {
    7. 

  7.         try {
    8. 

  8.             while (count == items.length)
    9. 

  9.                 notFull.await();
    10. 

  10.         } catch (InterruptedException ie) {
    11. 

  11.             notFull.signal(); // propagate to non-interrupted thread
    12. 

  12.             throw ie;
    13. 

  13.         }
    14. 

  14.         insert(e);
    15. 

  15.     } finally {
    16. 

  16.         lock.unlock();
    17. 

  17.     }
    18. 

  18. }
    19.

　　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. 

  2. private void insert(E x) {
    3. 

  3.     items[putIndex] = x;
    4. 

  4.     putIndex = inc(putIndex);
    5. 

  5.     ++count;
    6. 

  6.     notEmpty.signal();
    7. 

  7. }
    8.

　　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. 

  2.     final ReentrantLock lock = this.lock;
    3. 

  3.     lock.lockInterruptibly();
    4. 

  4.     try {
    5. 

  5.         try {
    6. 

  6.             while (count == 0)
    7. 

  7.                 notEmpty.await();
    8. 

  8.         } catch (InterruptedException ie) {
    9. 

  9.             notEmpty.signal(); // propagate to non-interrupted thread
    10. 

  10.             throw ie;
    11. 

  11.         }
    12. 

  12.         E x = extract();
    13. 

  13.         return x;
    14. 

  14.     } finally {
    15. 

  15.         lock.unlock();
    16. 

  16.     }
    17. 

  17. }
    18.

　　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. 

  2. private E extract() {
    3. 

  3.     final E[] items = this.items;
    4. 

  4.     E x = items[takeIndex];
    5. 

  5.     items[takeIndex] = null;
    6. 

  6.     takeIndex = inc(takeIndex);
    7. 

  7.     --count;
    8. 

  8.     notFull.signal();
    9. 

  9.     return x;
    10. 

  10. }
    11.

　　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. 

  2.     private int queueSize = 10;
    3. 

  3.     private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
    4. 

  4.  
    5. 

  5.     public static void main(String[] args)  {
    6. 

  6.         Test test = new Test();
    7. 

  7.         Producer producer = test.new Producer();
    8. 

  8.         Consumer consumer = test.new Consumer();
    9. 

  9.  
    10. 

  10.         producer.start();
    11. 

  11.         consumer.start();
    12. 

  12.     }
    13. 

  13.  
    14. 

  14.     class Consumer extends Thread{
    15. 

  15.  
    16. 

  16.         @Override
    17. 

  17.         public void run() {
    18. 

  18.             consume();
    19. 

  19.         }
    20. 

  20.  
    21. 

  21.         private void consume() {
    22. 

  22.             while(true){
    23. 

  23.                 synchronized (queue) {
    24. 

  24.                     while(queue.size() == 0){
    25. 

  25.                         try {
    26. 

  26.                             System.out.println("队列空，等待数据");
    27. 

  27.                             queue.wait();
    28. 

  28.                         } catch (InterruptedException e) {
    29. 

  29.                             e.printStackTrace();
    30. 

  30.                             queue.notify();
    31. 

  31.                         }
    32. 

  32.                     }
    33. 

  33.                     queue.poll();          //每次移走队首元素
    34. 

  34.                     queue.notify();
    35. 

  35.                     System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
    36. 

  36.                 }
    37. 

  37.             }
    38. 

  38.         }
    39. 

  39.     }
    40. 

  40.  
    41. 

  41.     class Producer extends Thread{
    42. 

  42.  
    43. 

  43.         @Override
    44. 

  44.         public void run() {
    45. 

  45.             produce();
    46. 

  46.         }
    47. 

  47.  
    48. 

  48.         private void produce() {
    49. 

  49.             while(true){
    50. 

  50.                 synchronized (queue) {
    51. 

  51.                     while(queue.size() == queueSize){
    52. 

  52.                         try {
    53. 

  53.                             System.out.println("队列满，等待有空余空间");
    54. 

  54.                             queue.wait();
    55. 

  55.                         } catch (InterruptedException e) {
    56. 

  56.                             e.printStackTrace();
    57. 

  57.                             queue.notify();
    58. 

  58.                         }
    59. 

  59.                     }
    60. 

  60.                     queue.offer(1);        //每次插入一个元素
    61. 

  61.                     queue.notify();
    62. 

  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. 

  63.                 }
    64. 

  64.             }
    65. 

  65.         }
    66. 

  66.     }
    67. 

  67. }
    68.

　　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. 

  2.     private int queueSize = 10;
    3. 

  3.     private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(queueSize);
    4. 

  4.  
    5. 

  5.     public static void main(String[] args)  {
    6. 

  6.         Test test = new Test();
    7. 

  7.         Producer producer = test.new Producer();
    8. 

  8.         Consumer consumer = test.new Consumer();
    9. 

  9.  
    10. 

  10.         producer.start();
    11. 

  11.         consumer.start();
    12. 

  12.     }
    13. 

  13.  
    14. 

  14.     class Consumer extends Thread{
    15. 

  15.  
    16. 

  16.         @Override
    17. 

  17.         public void run() {
    18. 

  18.             consume();
    19. 

  19.         }
    20. 

  20.  
    21. 

  21.         private void consume() {
    22. 

  22.             while(true){
    23. 

  23.                 try {
    24. 

  24.                     queue.take();
    25. 

  25.                     System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
    26. 

  26.                 } catch (InterruptedException e) {
    27. 

  27.                     e.printStackTrace();
    28. 

  28.                 }
    29. 

  29.             }
    30. 

  30.         }
    31. 

  31.     }
    32. 

  32.  
    33. 

  33.     class Producer extends Thread{
    34. 

  34.  
    35. 

  35.         @Override
    36. 

  36.         public void run() {
    37. 

  37.             produce();
    38. 

  38.         }
    39. 

  39.  
    40. 

  40.         private void produce() {
    41. 

  41.             while(true){
    42. 

  42.                 try {
    43. 

  43.                     queue.put(1);
    44. 

  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. 

  45.                 } catch (InterruptedException e) {
    46. 

  46.                     e.printStackTrace();
    47. 

  47.                 }
    48. 

  48.             }
    49. 

  49.         }
    50. 

  50.     }
    51. 

  51. }
    52.


　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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