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Java并发编程:阻塞队列

作者:Admin  更新时间:2018/06/24  点击次数:

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。

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。

  • 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。

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)

  take()

  offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)

  poll(long timeout, TimeUnit unit)


这四个方法的理解:

  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;

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<E> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E>, 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,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();
       }
        
       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。

  

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。

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