15293277939094.html

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  Java 并发编程：阻塞队列 - Junkman
  
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       <div class="article">
          
          <h1>Java 并发编程：阻塞队列</h1>
     
        <div class="read-more clearfix">
          <span class="date">2018/6/18</span>

          <span>posted in&nbsp;</span> 
          
              <span class="posted-in"><a href='Cocurrency.html'>Cocurrency</a></span>
           
         
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          </span>

        </div>
      </div><!-- article -->

      <div class="article-content">
      <blockquote>
<p>作者：海子<br/>
原文：<a href="http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3932906.html">http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3932906.html</a></p>
</blockquote>

<p>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。</p>

<p>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。</p>

<p>　　一. 几种主要的阻塞队列</p>

<p>　　二. 阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法</p>

<p>　　三. 阻塞队列的实现原理</p>

<p>　　四. 示例和使用场景</p>

<p>若有不正之处请多多谅解，并欢迎批评指正。</p>

<h2 id="toc_0">一. 几种主要的阻塞队列</h2>

<p>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：</p>

<ul>
<li><p>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。</p></li>
<li><p>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。</p></li>
<li><p>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。</p></li>
<li><p>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。</p></li>
</ul>

<h2 id="toc_1">二. 阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法</h2>

<p><strong>1. 非阻塞队列中的几个主要方法：</strong></p>

<ul>
<li><p><strong>add(E e)：</strong>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；</p></li>
<li><p><strong>remove()：</strong>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；</p></li>
<li><p><strong>offer(E e)：</strong>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；</p></li>
<li><p><strong>poll()：</strong>移除并获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回 null；</p></li>
<li><p><strong>peek()：</strong>获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回 null</p></li>
</ul>

<p>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。</p>

<p><strong>2. 阻塞队列中的几个主要方法：</strong></p>

<p>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。</p>

<p>除此之外，阻塞队列提供了另外 4 个非常有用的方法：</p>

<p>　　put(E e)</p>

<p>　　take()</p>

<p>　　offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)</p>

<p>　　poll(long timeout, TimeUnit unit)</p>

<p>这四个方法的理解：</p>

<p>　　put 方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待；</p>

<p>　　take 方法用来从队首取元素，如果队列为空，则等待；</p>

<p>　　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；</p>

<p>　　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；</p>

<h2 id="toc_2">三. 阻塞队列的实现原理</h2>

<p>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。</p>

<p>首先看一下 ArrayBlockingQueue 类中的几个成员变量：</p>

<pre><code class="language-java">public class ArrayBlockingQueue&lt;E&gt; extends AbstractQueue&lt;E&gt;
implements BlockingQueue&lt;E&gt;, 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;
}
</code></pre>

<p>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。</p>

<p>lock 是一个可重入锁，notEmpty 和 notFull 是等待条件。</p>

<p>下面看一下 ArrayBlockingQueue 的构造器，构造器有三个重载版本：</p>

<pre><code class="language-java">public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {

}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
                  Collection&lt;? extends E&gt; c) {
}
</code></pre>

<p>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。</p>

<p>然后看它的两个关键方法的实现：put() 和 take()：</p>

<pre><code class="language-java">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();
   }
}
</code></pre>

<p>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。</p>

<p>当被其他线程唤醒时，通过 insert(e) 方法插入元素，最后解锁。</p>

<p>我们看一下 insert 方法的实现：</p>

<pre><code class="language-java">private void insert(E x) {
   items[putIndex] = x;
   putIndex = inc(putIndex);
   ++count;
   notEmpty.signal();
}
</code></pre>

<p>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。</p>

<p>下面是 take() 方法的实现：</p>

<pre><code class="language-java">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();
   }
}
</code></pre>

<p>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。</p>

<p>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：</p>

<pre><code class="language-java">private E extract() {
   final E[] items = this.items;
   E x = items[takeIndex];
   items[takeIndex] = null;
   takeIndex = inc(takeIndex);
   --count;
   notFull.signal();
   return x;
}
</code></pre>

<p>跟 insert 方法也很类似。</p>

<p>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。</p>

<h2 id="toc_3">四. 示例和使用场景</h2>

<p>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：</p>

<pre><code class="language-java">public class Test {
   private int queueSize = 10;
   private PriorityQueue&lt;Integer&gt; queue = new PriorityQueue&lt;Integer&gt;(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(&quot;队列空，等待数据&quot;);
                           queue.wait();
                       } catch (InterruptedException e) {
                           e.printStackTrace();
                           queue.notify();
                       }
                   }
                   queue.poll();          //每次移走队首元素
                   queue.notify();
                   System.out.println(&quot;从队列取走一个元素，队列剩余&quot;+
                   queue.size()+&quot;个元素&quot;);
               }
           }
       }
   }

   class Producer extends Thread{

       @Override
       public void run() {
           produce();
       }

       private void produce() {
           while(true){
               synchronized (queue) {
                   while(queue.size() == queueSize){
                       try {
                           System.out.println(&quot;队列满，等待有空余空间&quot;);
                           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(&quot;向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：&quot;+
                   (queueSize-queue.size()));
               }
           }
       }
   }
}
</code></pre>

<p>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。</p>

<p>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。</p>

<p>下面是使用阻塞队列实现的生产者 - 消费者模式：</p>

<pre><code class="language-java">public class Test {
   private int queueSize = 10;
   private ArrayBlockingQueue&lt;Integer&gt; queue = 
   new ArrayBlockingQueue&lt;Integer&gt;(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(&quot;从队列取走一个元素，队列剩余&quot;+
                   queue.size()+&quot;个元素&quot;);
               } 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(&quot;向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：&quot;+
                   (queueSize-queue.size()));
               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
           }
       }
   }
}
</code></pre>

<p>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。</p>

<p>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。</p>

<p>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。</p>


      </div>

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        </div>
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      </p>
        </div>
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        </div>
      </div>
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