高并发:阻塞队列 实现生产者-消费者模式

时间:2022-12-24 17:40:57

        首先介绍一下非阻塞队列,比如PriorityQueue、LinkedList。在使用非阻塞队列时遇到的问题:不会对当前线程产生阻塞,在面对类似消费者-生产者的模型时,必须额外地实现同步策略以及线程间唤醒策略,这个实现起来非常麻烦。

所以,阻塞队列恰恰不一样,阻塞队列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(不需要编写代码去唤醒)。

1.几种主要的阻塞队列

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,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。

2.非阻塞队列和阻塞队列中的方法

非阻塞队列:

      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。

阻塞队列:

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;

3.应用场景:生产者-消费者模式

非阻塞队列:使用Object.wait()和Object.notify()、非阻塞队列实现

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()));
}
}
}
}
}
wait()和notify()主要用来实现线程间通信

非阻塞队列:

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();
}
}
}
}
}

      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。

最后举个实际应用中的例子:微信消息处理队列

public class WechatMsgSendJob {
private static Log log = LogFactory.getLog(WechatMsgSendJob.class);
private static BlockingQueue<WechatMsg> msgs = new LinkedBlockingQueue<WechatMsg>(10000);

public static void addMsg(WechatMsg msg) {
try {
msgs.put(msg);
} catch (InterruptedException e) {
log.error("addMsg error", e);
}
}
//init方法
public void init(){
try {
<span style="white-space:pre"></span>//启动线程池,8个线程 不停的处理队列中的数据
<span style="white-space:pre"></span>ExecutorService consumerService = Executors.newFixedThreadPool(8);
for (int i = 0; i < 8; i++) {
consumerService.submit(new Runnable() {
public void run() {
while (true) {
try {
WechatMsg msg = msgs.take();
if (msg != null) {
//这里处理数据


}
} catch (Exception e) {
log.error("callWechatSendApi error", e);
}

}
}
});
}
}catch (Exception e) {
log.error("sendMsg error", e);
}
}
}