Java并发之BlockingQueue的使用

本文主要讲的是并发包中涉及到的集合，关于普通集合，请参考【java 集合概览】

一、什么是blockingqueue

blockingqueue即阻塞队列，从阻塞这个词可以看出，在某些情况下对阻塞队列的访问可能会造成阻塞。被阻塞的情况主要有如下两种：

1. 当队列满了的时候进行入队列操作
2. 当队列空了的时候进行出队列操作

因此，当一个线程试图对一个已经满了的队列进行入队列操作时，它将会被阻塞，除非有另一个线程做了出队列操作；同样，当一个线程试图对一个空队列进行出队列操作时，它将会被阻塞，除非有另一个线程进行了入队列操作。

在java中，blockingqueue的接口位于java.util.concurrent 包中(在java5版本开始提供)，由上面介绍的阻塞队列的特性可知，阻塞队列是线程安全的。

二、blockingqueue的用法

阻塞队列主要用在生产者/消费者的场景，下面这幅图展示了一个线程生产、一个线程消费的场景：

负责生产的线程不断的制造新对象并插入到阻塞队列中，直到达到这个队列的上限值。队列达到上限值之后生产线程将会被阻塞，直到消费的线程对这个队列进行消费。同理，负责消费的线程不断的从队列中消费对象，直到这个队列为空，当队列为空时，消费线程将会被阻塞，除非队列中有新的对象被插入。

三、blockingqueue接口中的方法

阻塞队列一共有四套方法分别用来进行insert、remove和examine，当每套方法对应的操作不能马上执行时会有不同的反应，下面这个表格就分类列出了这些方法：

 

-	throws exception	special value	blocks	times out
insert	add(o)	offer(o)	put(o)	offer(o, timeout, timeunit)
remove	remove(o)	poll()	take()	poll(timeout, timeunit)
examine	element()	peek()

 

这四套方法对应的特点分别是：

1. throwsexception：如果操作不能马上进行，则抛出异常
2. specialvalue：如果操作不能马上进行，将会返回一个特殊的值，一般是true或者false
3. blocks:如果操作不能马上进行，操作会被阻塞
4. timesout:如果操作不能马上进行，操作会被阻塞指定的时间，如果指定时间没执行，则返回一个特殊值，一般是true或者false

需要注意的是，我们不能向blockingqueue中插入null，否则会报nullpointerexception。

四、blockingqueue的实现类

blockingqueue只是java.util.concurrent包中的一个接口，而在具体使用时，我们用到的是它的实现类，当然这些实现类也位于java.util.concurrent包中。在java6中，blockingqueue的实现类主要有以下几种：

1. arrayblockingqueue
2. delayqueue
3. linkedblockingqueue
4. priorityblockingqueue
5. synchronousqueue

下面我们就分别介绍这几个实现类。

4.1 arrayblockingqueue

arrayblockingqueue是一个有边界的阻塞队列，它的内部实现是一个数组。有边界的意思是它的容量是有限的，我们必须在其初始化的时候指定它的容量大小，容量大小一旦指定就不可改变。

arrayblockingqueue是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。下面是一个初始化和使用arrayblockingqueue的例子：

blockingqueue queue = new arrayblockingqueue(1024);
queue.put("1");
object object = queue.take();

4.2 delayqueue

delayqueue阻塞的是其内部元素，delayqueue中的元素必须实现 java.util.concurrent.delayed接口，这个接口的定义非常简单：

public interface delayed extends comparable<delayed> {
long getdelay(timeunit unit);
}

getdelay()方法的返回值就是队列元素被释放前的保持时间，如果返回0或者一个负值，就意味着该元素已经到期需要被释放，此时delayedqueue会通过其take()方法释放此对象。

从上面delayed 接口定义可以看到，它还继承了comparable接口，这是因为delayedqueue中的元素需要进行排序，一般情况，我们都是按元素过期时间的优先级进行排序。

例1：为一个对象指定过期时间

首先，我们先定义一个元素，这个元素要实现delayed接口

public class delayedelement implements delayed {
 private long expired;
 private long delay;
 private string name;

 delayedelement(string elementname, long delay) {
   this. name = elementname;
   this. delay= delay;
   expired = ( delay + system. currenttimemillis());
 }

 @override
 public int compareto(delayed o) {
  delayedelement cached=(delayedelement) o;
   return cached.getexpired()> expired?1:-1;
 }

 @override
 public long getdelay(timeunit unit) {

   return ( expired - system. currenttimemillis());
 }

 @override
 public string tostring() {
   return "delayedelement [delay=" + delay + ", name=" + name + "]";
 }

 public long getexpired() {
   return expired;
 }

}

设置这个元素的过期时间为3s

public class delayqueueexample {
 public static void main(string[] args) throws interruptedexception {
  delayqueue<delayedelement> queue= new delayqueue<>();
  delayedelement ele= new delayedelement( "cache 3 seconds",3000);
   queue.put( ele);
  system. out.println( queue.take());

 }
}

运行这个main函数，我们可以发现，我们需要等待3s之后才会打印这个对象。

其实delayqueue应用场景很多，比如定时关闭连接、缓存对象，超时处理等各种场景，下面我们就拿学生考试为例让大家更深入的理解delayqueue的使用。

例2：把所有考试的学生看做是一个delayqueue，谁先做完题目释放谁

首先，我们构造一个学生对象

public class student implements runnable,delayed{
 private string name; //姓名
 private long costtime;//做试题的时间
 private long finishedtime;//完成时间

 public student(string name, long costtime) {
   this. name = name;
   this. costtime= costtime;
   finishedtime = costtime + system. currenttimemillis();
 }

 @override
 public void run() {
  system. out.println( name + " 交卷,用时" + costtime /1000);
 }

 @override
 public long getdelay(timeunit unit) {
   return ( finishedtime - system. currenttimemillis());
 }

 @override
 public int compareto(delayed o) {
  student other = (student) o;
   return costtime >= other. costtime?1:-1;
 }

}

然后在构造一个教师对象对学生进行考试

public class teacher {
 static final int student_size = 30;
 public static void main(string[] args) throws interruptedexception {
  random r = new random();
  //把所有学生看做一个延迟队列
  delayqueue<student> students = new delayqueue<student>();
  //构造一个线程池用来让学生们“做作业”
  executorservice exec = executors.newfixedthreadpool(student_size);
   for ( int i = 0; i < student_size; i++) {
    //初始化学生的姓名和做题时间
    students.put( new student( "学生" + (i + 1), 3000 + r.nextint(10000)));
  }
  //开始做题
  while(! students.isempty()){
    exec.execute( students.take());
  }
   exec.shutdown();
 }
}

我们看一下运行结果：

学生2 交卷,用时3
学生1 交卷,用时5
学生5 交卷,用时7
学生4 交卷,用时8
学生3 交卷,用时11

通过运行结果我们可以发现，每个学生在指定开始时间到达之后就会“交卷”（取决于getdelay()方法），并且是先做完的先交卷（取决于compareto()方法）。

通过查看其源码可以看到，delayqueue内部实现用的是priorityqueue和一个lock：

4.3 linkedblockingqueue

linkedblockingqueue阻塞队列大小的配置是可选的，如果我们初始化时指定一个大小，它就是有边界的，如果不指定，它就是无边界的。说是无边界，其实是采用了默认大小为integer.max_value的容量 。它的内部实现是一个链表。

和arrayblockingqueue一样，linkedblockingqueue 也是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。下面是一个初始化和使linkedblockingqueue的例子：

blockingqueue<string> unbounded = new linkedblockingqueue<string>();
blockingqueue<string> bounded = new linkedblockingqueue<string>(1024);
bounded.put("value");
string value = bounded.take();

4.4 priorityblockingqueue

priorityblockingqueue是一个没有边界的队列，它的排序规则和 java.util.priorityqueue一样。需要注意，priorityblockingqueue中允许插入null对象。

所有插入priorityblockingqueue的对象必须实现 java.lang.comparable接口，队列优先级的排序规则就是按照我们对这个接口的实现来定义的。

另外，我们可以从priorityblockingqueue获得一个迭代器iterator，但这个迭代器并不保证按照优先级顺序进行迭代。

下面我们举个例子来说明一下，首先我们定义一个对象类型，这个对象需要实现comparable接口：

public class priorityelement implements comparable<priorityelement> {
private int priority;//定义优先级
priorityelement(int priority) {
 //初始化优先级
 this.priority = priority;
}
@override
public int compareto(priorityelement o) {
 //按照优先级大小进行排序
 return priority >= o.getpriority() ? 1 : -1;
}
public int getpriority() {
 return priority;
}
public void setpriority(int priority) {
 this.priority = priority;
}
@override
public string tostring() {
 return "priorityelement [priority=" + priority + "]";
}
}

然后我们把这些元素随机设置优先级放入队列中

public class priorityblockingqueueexample {
public static void main(string[] args) throws interruptedexception {
 priorityblockingqueue<priorityelement> queue = new priorityblockingqueue<>();
 for (int i = 0; i < 5; i++) {
  random random=new random();
  priorityelement ele = new priorityelement(random.nextint(10));
  queue.put(ele);
 }
 while(!queue.isempty()){
  system.out.println(queue.take());
 }
}
}

看一下运行结果：

priorityelement [priority=3]
priorityelement [priority=4]
priorityelement [priority=5]
priorityelement [priority=8]
priorityelement [priority=9]

4.5 synchronousqueue

synchronousqueue队列内部仅允许容纳一个元素。当一个线程插入一个元素后会被阻塞，除非这个元素被另一个线程消费。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持服务器之家。

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