java并发编程学习: 阻塞队列 使用 及 实现原理

队列(Queue)与栈(Stack)是数据结构中的二种常用结构,队列的特点是先进先出(First In First Out),而Stack是先进后出(First In Last Out),说得通俗点:Queue就是电影院入场时人们排起来的进场队伍,先来的人(即:前排在前面的人)先入场,而Statck则是一队人依次进入了一个死胡同想出来,先进去(最里面)的人,必须等后面的人(后进入的人)出来了,自己才能出来。

队列在多线程应用中,常用于生产-消费场景,打个通俗的比方:很多人早上喜欢去买油条,买油条的人相当于消费者,做油条的师傅则是生产者。而油锅边上用于放油条的铁架子,可以看成一个共享的队列,师傅做好油条后,一根一根的捞出来放在架子上,而顾客则按排队的顺序一根根的付好钱从架子上拿。 即:队列的一头,不断有人在放入东西(生产元素),另一头不断有人的消费(拿走元素)。这里就有一个很有趣的现象,如果买的人多,师傅来不及做,那么第一个顾客就会一直等着(后面的所有人也得等着,或称为阻塞了后面的人),直到师傅炸好一根,然后第一个顾客买完走了,后面的人才能顶上来,类似的道理,如果架子放满了,没有人来买,师傅就会停下来,等有人来买了,才会继续做,这就是所谓的队列阻塞,而能产生阻塞行为的队列称为阻塞队列。

从刚才的描述可以看出,发生阻塞起码得满足下面至少一个条件: (前提:队列是有界的)

1.从队列里取元素时,如果队列为空,则代码一直等在这里(即阻塞),直到队列里有东西了,拿到元素了,后面的代码才能继续

2.向队列里放元素时,如果队列满了(即放不下更多元素),则代码也会卡住,直到队列里的东西被取走了(即:有空位可以放新元素了),后面的代码才能继续

JDK7提供了以下7个阻塞队列:

ArrayBlockingQueue :由数组结构组成的有界阻塞队列。
LinkedBlockingQueue :由链表结构组成的有界阻塞队列。
PriorityBlockingQueue :支持优先级排序的无界阻塞队列。
DelayQueue:使用优先级队列实现的无界阻塞队列。
SynchronousQueue:不存储元素的阻塞队列。
LinkedTransferQueue:链表结构组成的无界阻塞队列。
LinkedBlockingDeque:链表结构组成的双向阻塞队列。

阻塞队列提供了下列四种处理方法:

方法\处理方式抛出异常返回true/false一直阻塞超时退出
插入方法 add(e) offer(e) put(e) offer(e,time,unit)
移除方法 remove() poll() take() poll(time,unit)
检查方法 element() peek()    

这4类方法中,在队列已满(或为空)的情况下,有些会抛出异常,有些则返回true/false,有些则一直阻塞,还有些则可以设置超时时间,时间到了后,自动退出阻塞状态,实际项目中可根据需要选取适合的方法。

 

下面是一个基本示例:

模拟了买油条的场景,1个老板在做油条,3个顾客在排队买

package yjmyzz.test;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

public class BlockingQueueTest {

    private static final int queueSize = 3;
    private static final ArrayBlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(queueSize);
    private static final int produceSpeed = 2000;//生产速度(越小越快)
    private static final int consumeSpeed = 10;//消费速度(越小越快)

    public static void main(String[] args) {
        Thread producer = new Producer();
        Thread consumer = new Consumer();
        producer.start();
        consumer.start();
    }

    static class Producer extends Thread {
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    System.out.println("老板准备炸油条了,架子上还能放:" + (queueSize - queue.size()) + "根油条");
                    queue.put("1根油条");
                    System.out.println("老板炸好了1根油条,架子上还能放:" + (queueSize - queue.size()) + "根油条");
                    Thread.sleep(produceSpeed);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    static class Consumer extends Thread {
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    System.out.println("A 准备买油条了,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
                    queue.take();
                    System.out.println("A 买到1根油条,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
                    Thread.sleep(consumeSpeed);

                    System.out.println("B 准备买油条了,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
                    queue.take();
                    System.out.println("B 买到1根油条,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
                    Thread.sleep(consumeSpeed);

                    System.out.println("C 准备买油条了,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
                    queue.take();
                    System.out.println("C 买到1根油条,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
                    Thread.sleep(consumeSpeed);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

输出:(只取了前几行)

 1 老板准备炸油条了,架子上还能放:3根油条
 2 老板炸好了1根油条,架子上还能放:2根油条
 3 A 准备买油条了,架子上还剩1根油条
 4 A 买到1根油条,架子上还剩0根油条
 5 B 准备买油条了,架子上还剩0根油条
 6 老板准备炸油条了,架子上还能放:3根油条
 7 老板炸好了1根油条,架子上还能放:2根油条
 8 B 买到1根油条,架子上还剩0根油条
 9 C 准备买油条了,架子上还剩0根油条
10 ...

观察5-8行,因为消费的速度远大于生产速度,即:生意太好,老板来不及做。B要买油条时,发现卖完了,只能等老板再做一根出来,后面的C才有机会继续购买。

这是一个很有意思的程序,可以把生产速度与消费速度值对换,输出结果如下:

 1 老板准备炸油条了,架子上还能放:3根油条
 2 老板炸好了1根油条,架子上还能放:2根油条
 3 A 准备买油条了,架子上还剩1根油条
 4 A 买到1根油条,架子上还剩0根油条
 5 老板准备炸油条了,架子上还能放:3根油条
 6 老板炸好了1根油条,架子上还能放:2根油条
 7 老板准备炸油条了,架子上还能放:2根油条
 8 老板炸好了1根油条,架子上还能放:1根油条
 9 老板准备炸油条了,架子上还能放:1根油条
10 老板炸好了1根油条,架子上还能放:0根油条
11 老板准备炸油条了,架子上还能放:0根油条
12 B 准备买油条了,架子上还剩3根油条
13 B 买到1根油条,架子上还剩2根油条
14 老板炸好了1根油条,架子上还能放:0根油条
15 老板准备炸油条了,架子上还能放:0根油条
16 C 准备买油条了,架子上还剩3根油条
17 C 买到1根油条,架子上还剩2根油条
18 老板炸好了1根油条,架子上还能放:0根油条
19 老板准备炸油条了,架子上还能放:0根油条
20 A 准备买油条了,架子上还剩3根油条
21 A 买到1根油条,架子上还剩2根油条
22 老板炸好了1根油条,架子上还能放:0根油条
23 老板准备炸油条了,架子上还能放:0根油条

因为生产速度远大于消费速度,即:生意不好,油条做得比卖得快。观察一下5-11行,老板卯足了劲做,但是这时一直没人来买。然后12-13行,终于来了一个客户B买了一根,然后老板又要开始做(14-15行),发现架子上放满了,不得不停下,等C再买一根(16-17行),才能继续做(18行)

 

实现原理:

聊聊并发(七)——Java中的阻塞队列 一文中已经对ArrayBlockingQueue的源码进行比较详细的分析了,这里只贴几段主要的代码,体会一下思想:

    /** Main lock guarding all access */
    final ReentrantLock lock;

    /** Condition for waiting takes */
    private final Condition notEmpty;

    /** Condition for waiting puts */
    private final Condition notFull;

这3个变量很重要,ReentrantLock重入锁,notEmpty检查不为空的Condition 以及  notFull用来检查队列未满的Condition

Condition是一个接口,里面有二个重要的方法:
await() : Causes the current thread to wait until it is signalled or interrupted. 即阻塞当前线程,直到被通知(唤醒)或中断

singal(): Wakes up one waiting thread. 唤醒阻塞的线程

再来看put方法:(jdk 1.8)

    public void put(E e) throws InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            enqueue(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

1.先获取锁

2.然后用while循环检测元素个数是否等于items长度,如果相等,表示队列满了,调用notFull的await()方法阻塞线程

3.否则调用enqueue()方法添加元素

4.最后解锁

    private void enqueue(E x) {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[putIndex] == null;
        final Object[] items = this.items;
        items[putIndex] = x;
        if (++putIndex == items.length)
            putIndex = 0;
        count++;
        notEmpty.signal();
    }

这是添加元素的代码(jdk 1.8),注意最后一行notEmpty.signal()方法,表示添加完元素后,调用singal()通知等待(从队列中取元素)的线程,队列不空(有值)啦,可以来取东西了。

类似的take()与dequeue()方法则相当于逆过程(注:同样都是jdk 1.8)

    public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

类似的:

1. 先加锁

2. 如果元素个数为空,表示队列已空,调用notEmpty的await()阻塞线程,直接队列里又有新元素加入为止

3. 然后调用dequeue 从队列里删除元素

4. 解锁

dequeue方法:

    private E dequeue() {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[takeIndex] != null;
        final Object[] items = this.items;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E x = (E) items[takeIndex];
        items[takeIndex] = null;
        if (++takeIndex == items.length)
            takeIndex = 0;
        count--;
        if (itrs != null)
            itrs.elementDequeued();
        notFull.signal();
        return x;
    }

倒数第2行,元素移除后,调用notFull.singnal唤醒等待(向队列添加元素的)线程,队列有空位了,可以向里面添加元素了。

参考文章:

http://ifeve.com/java-blocking-queue/

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

posted @ 2015-10-08 16:49 菩提树下的杨过 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏