Java 并发编程：阻塞队列

Java 并发编程：阻塞队列

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：

　http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3932906.html

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。

​ SingleThreadPool、FixedThreadPool都使用这种阻塞队列

　　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。

​ sheduleThreadPool使用的是这种阻塞队列，这样就能实现计划线程池的目标线程延迟执行功能

​ SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列，队列中没有任何容量。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，同样地，每一个移除操作也必须等到另一个线程调用插入操作，否则操作一直处于阻塞状态。吞吐量通常要高于 LinkedBlockingQueue

​ cachedThreadPool使用这种线程池，这个阻塞队列没有存储空间，这意味着只要有请求到来，就必须要找到一条工作线程处理他，如果当前没有空闲的线程，那么就会再创建一条新的线程。

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)：用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待

　　take()：用来从队首取元素，如果队列为空，则等待

　　offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)：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(long timeout, TimeUnit unit)：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 extends AbstractQueue
implements BlockingQueue, 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 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(如果某一线程A正在执行锁中的代码，另一线程B正在等待获取该锁，可能由于等待时间过长，线程B不想等待了，想先处理其他事情，我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它，这种就是可中断锁。)，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 queue = new PriorityQueue(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 queue = new ArrayBlockingQueue(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();
        }
         /**
         阻塞队列的使用使得访问去掉了与同步和线程间通信以及队列为满或者空时的等待等所有内容，可以说只需要考虑业务需要、写业务逻辑代码即可
         **/
        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,因为这些都已经在内部实现了(包括锁也已经在队列内部实现了,毕竟是并发包下的类)。

　　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。