Java 阻塞隊列詳解

概要：

在新增的Concurrent包中，BlockingQueue很好的解決了多線程中，如何高效安全“傳輸”數(shù)據(jù)的問題。通過這些高效并且線程安全的隊列類，為我們快速搭建高質(zhì)量的多線程程序帶來極大的便利。本文詳細介紹了BlockingQueue家庭中的所有成員，包括他們各自的功能以及常見使用場景。

認識BlockingQueue阻塞隊列，顧名思義，首先它是一個隊列，而一個隊列在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中所起的作用大致如下圖所示： 

從上圖我們可以很清楚看到，通過一個共享的隊列，可以使得數(shù)據(jù)由隊列的一端輸入，從另外一端輸出； 

常用的隊列主要有以下兩種：（當然通過不同的實現(xiàn)方式，還可以延伸出很多不同類型的隊列，DelayQueue就是其中的一種） 

1. 先進先出（FIFO）：先插入的隊列的元素也最先出隊列，類似于排隊的功能。從某種程度上來說這種隊列也體現(xiàn)了一種公平性。 

2. 后進先出（LIFO）：后插入隊列的元素最先出隊列，這種隊列優(yōu)先處理最近發(fā)生的事件。 

多線程環(huán)境中，通過隊列可以很容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，比如經(jīng)典的“生產(chǎn)者”和“消費者”模型中，通過隊列可以很便利地實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)共享。假設(shè)我們有若干生產(chǎn)者線程，另外又有若干個消費者線程。如果生產(chǎn)者線程需要把準備好的數(shù)據(jù)共享給消費者線程，利用隊列的方式來傳遞數(shù)據(jù)，就可以很方便地解決他們之間的數(shù)據(jù)共享問題。但如果生產(chǎn)者和消費者在某個時間段內(nèi)，萬一發(fā)生數(shù)據(jù)處理速度不匹配的情況呢？理想情況下，如果生產(chǎn)者產(chǎn)出數(shù)據(jù)的速度大于消費者消費的速度，并且當生產(chǎn)出來的數(shù)據(jù)累積到一定程度的時候，那么生產(chǎn)者必須暫停等待一下（阻塞生產(chǎn)者線程），以便等待消費者線程把累積的數(shù)據(jù)處理完畢，反之亦然。然而，在concurrent包發(fā)布以前，在多線程環(huán)境下，我們每個程序員都必須去自己控制這些細節(jié)，尤其還要兼顧效率和線程安全，而這會給我們的程序帶來不小的復雜度。好在此時，強大的concurrent包橫空出世了，而他也給我們帶來了強大的BlockingQueue。（在多線程領(lǐng)域：所謂阻塞，在某些情況下會掛起線程（即阻塞），一旦條件滿足，被掛起的線程又會自動被喚醒） 

下面兩幅圖演示了BlockingQueue的兩個常見阻塞場景： 

如上圖所示：當隊列中沒有數(shù)據(jù)的情況下，消費者端的所有線程都會被自動阻塞（掛起），直到有數(shù)據(jù)放入隊列。 

如上圖所示：當隊列中填滿數(shù)據(jù)的情況下，生產(chǎn)者端的所有線程都會被自動阻塞（掛起），直到隊列中有空的位置，線程被自動喚醒。 

這也是我們在多線程環(huán)境下，為什么需要BlockingQueue的原因。作為BlockingQueue的使用者，我們再也不需要關(guān)心什么時候需要阻塞線程，什么時候需要喚醒線程，因為這一切BlockingQueue都給你一手包辦了。既然BlockingQueue如此神通廣大，讓我們一起來見識下它的常用方法： 

BlockingQueue的核心方法： 

放入數(shù)據(jù)： 

　　offer(anObject):表示如果可能的話,將anObject加到BlockingQueue里,即如果BlockingQueue可以容納, 則返回true,否則返回false 
　　（本方法不阻塞當前執(zhí)行方法的線程） 
　　offer(E o, long timeout, TimeUnit unit),可以設(shè)定等待的時間，如果在指定的時間內(nèi)，還不能往隊列中加入BlockingQueue，則返回失敗。 
　　put(anObject):把anObject加到BlockingQueue里,如果BlockQueue沒有空間,則調(diào)用此方法的線程被阻斷直到BlockingQueue里面有空間再繼續(xù). 
獲取數(shù)據(jù)： 
　　poll(time):取走BlockingQueue里排在首位的對象,若不能立即取出,則可以等time參數(shù)規(guī)定的時間, 
　　　　取不到時返回null; 
　　poll(long timeout, TimeUnit unit)：從BlockingQueue取出一個隊首的對象，如果在指定時間內(nèi)， 
　　　　隊列一旦有數(shù)據(jù)可取，則立即返回隊列中的數(shù)據(jù)。否則知道時間超時還沒有數(shù)據(jù)可取，返回失敗。 
　　take():取走BlockingQueue里排在首位的對象,若BlockingQueue為空,阻斷進入等待狀態(tài)直到 
　　　　BlockingQueue有新的數(shù)據(jù)被加入; 
　　drainTo():一次性從BlockingQueue獲取所有可用的數(shù)據(jù)對象（還可以指定獲取數(shù)據(jù)的個數(shù)）， 
　　　　通過該方法，可以提升獲取數(shù)據(jù)效率；不需要多次分批加鎖或釋放鎖。 
常見BlockingQueue 
 

在了解了BlockingQueue的基本功能后，讓我們來看看BlockingQueue家庭大致有哪些成員？

BlockingQueue成員詳細介紹 

1. ArrayBlockingQueue 

基于數(shù)組的阻塞隊列實現(xiàn)，在ArrayBlockingQueue內(nèi)部，維護了一個定長數(shù)組，以便緩存隊列中的數(shù)據(jù)對象，這是一個常用的阻塞隊列，除了一個定長數(shù)組外，ArrayBlockingQueue內(nèi)部還保存著兩個整形變量，分別標識著隊列的頭部和尾部在數(shù)組中的位置。 

　　ArrayBlockingQueue在生產(chǎn)者放入數(shù)據(jù)和消費者獲取數(shù)據(jù)，都是共用同一個鎖對象，由此也意味著兩者無法真正并行運行，這點尤其不同于LinkedBlockingQueue；按照實現(xiàn)原理來分析，ArrayBlockingQueue完全可以采用分離鎖，從而實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者操作的完全并行運行。Doug Lea之所以沒這樣去做，也許是因為ArrayBlockingQueue的數(shù)據(jù)寫入和獲取操作已經(jīng)足夠輕巧，以至于引入獨立的鎖機制，除了給代碼帶來額外的復雜性外，其在性能上完全占不到任何便宜。 ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue間還有一個明顯的不同之處在于，前者在插入或刪除元素時不會產(chǎn)生或銷毀任何額外的對象實例，而后者則會生成一個額外的Node對象。這在長時間內(nèi)需要高效并發(fā)地處理大批量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，其對于GC的影響還是存在一定的區(qū)別。而在創(chuàng)建ArrayBlockingQueue時，我們還可以控制對象的內(nèi)部鎖是否采用公平鎖，默認采用非公平鎖。 

2. LinkedBlockingQueue 

基于鏈表的阻塞隊列，同ArrayListBlockingQueue類似，其內(nèi)部也維持著一個數(shù)據(jù)緩沖隊列（該隊列由一個鏈表構(gòu)成），當生產(chǎn)者往隊列中放入一個數(shù)據(jù)時，隊列會從生產(chǎn)者手中獲取數(shù)據(jù)，并緩存在隊列內(nèi)部，而生產(chǎn)者立即返回；只有當隊列緩沖區(qū)達到最大值緩存容量時（LinkedBlockingQueue可以通過構(gòu)造函數(shù)指定該值），才會阻塞生產(chǎn)者隊列，直到消費者從隊列中消費掉一份數(shù)據(jù)，生產(chǎn)者線程會被喚醒，反之對于消費者這端的處理也基于同樣的原理。而LinkedBlockingQueue之所以能夠高效的處理并發(fā)數(shù)據(jù)，還因為其對于生產(chǎn)者端和消費者端分別采用了獨立的鎖來控制數(shù)據(jù)同步，這也意味著在高并發(fā)的情況下生產(chǎn)者和消費者可以并行地操作隊列中的數(shù)據(jù)，以此來提高整個隊列的并發(fā)性能。 

作為開發(fā)者，我們需要注意的是，如果構(gòu)造一個LinkedBlockingQueue對象，而沒有指定其容量大小，LinkedBlockingQueue會默認一個類似無限大小的容量（Integer.MAX_VALUE），這樣的話，如果生產(chǎn)者的速度一旦大于消費者的速度，也許還沒有等到隊列滿阻塞產(chǎn)生，系統(tǒng)內(nèi)存就有可能已被消耗殆盡了。 

ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue是兩個最普通也是最常用的阻塞隊列，一般情況下，在處理多線程間的生產(chǎn)者消費者問題，使用這兩個類足以。 

下面的代碼演示了如何使用BlockingQueue：

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

/**
* @author jackyuj
*/
public class BlockingQueueTest {

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 聲明一個容量為10的緩存隊列
BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<String>(10);

Producer producer1 = new Producer(queue);
Producer producer2 = new Producer(queue);
Producer producer3 = new Producer(queue);
Consumer consumer = new Consumer(queue);

// 借助Executors
ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
// 啟動線程
service.execute(producer1);
service.execute(producer2);
service.execute(producer3);
service.execute(consumer);

// 執(zhí)行10s
Thread.sleep(10 * 1000);
producer1.stop();
producer2.stop();
producer3.stop();

Thread.sleep(2000);
// 退出Executor
service.shutdown();
}
}
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
* 消費者線程
* 
* @author jackyuj
*/
public class Consumer implements Runnable {

public Consumer(BlockingQueue<String> queue) {
this.queue = queue;
}

public void run() {
System.out.println("啟動消費者線程！");
Random r = new Random();
boolean isRunning = true;
try {
while (isRunning) {
System.out.println("正從隊列獲取數(shù)據(jù)...");
String data = queue.poll(2, TimeUnit.SECONDS);
if (null != data) {
System.out.println("拿到數(shù)據(jù)：" + data);
System.out.println("正在消費數(shù)據(jù)：" + data);
Thread.sleep(r.nextInt(DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP));
} else {
// 超過2s還沒數(shù)據(jù)，認為所有生產(chǎn)線程都已經(jīng)退出，自動退出消費線程。
isRunning = false;
}
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
Thread.currentThread().interrupt();
} finally {
System.out.println("退出消費者線程！");
}
}

private BlockingQueue<String> queue;
private static final int DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP = 1000;
}

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
* 生產(chǎn)者線程
* 
* @author jackyuj
*/
public class Producer implements Runnable {

public Producer(BlockingQueue queue) {
this.queue = queue;
}

public void run() {
String data = null;
Random r = new Random();

System.out.println("啟動生產(chǎn)者線程！");
try {
while (isRunning) {
System.out.println("正在生產(chǎn)數(shù)據(jù)...");
Thread.sleep(r.nextInt(DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP));

data = "data:" + count.incrementAndGet();
System.out.println("將數(shù)據(jù)：" + data + "放入隊列...");
if (!queue.offer(data, 2, TimeUnit.SECONDS)) {
System.out.println("放入數(shù)據(jù)失?。? + data);
}
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
Thread.currentThread().interrupt();
} finally {
System.out.println("退出生產(chǎn)者線程！");
}
}

public void stop() {
isRunning = false;
}

private volatile boolean isRunning = true;
private BlockingQueue queue;
private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();
private static final int DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP = 1000;

}

1.DelayQueue 

DelayQueue中的元素只有當其指定的延遲時間到了，才能夠從隊列中獲取到該元素。DelayQueue是一個沒有大小限制的隊列，因此往隊列中插入數(shù)據(jù)的操作（生產(chǎn)者）永遠不會被阻塞，而只有獲取數(shù)據(jù)的操作（消費者）才會被阻塞。 
使用場景： 

　　DelayQueue使用場景較少，但都相當巧妙，常見的例子比如使用一個DelayQueue來管理一個超時未響應(yīng)的連接隊列。

2.PriorityBlockingQueue 

基于優(yōu)先級的阻塞隊列（優(yōu)先級的判斷通過構(gòu)造函數(shù)傳入的Compator對象來決定），但需要注意的是PriorityBlockingQueue并不會阻塞數(shù)據(jù)生產(chǎn)者，而只會在沒有可消費的數(shù)據(jù)時，阻塞數(shù)據(jù)的消費者。因此使用的時候要特別注意，生產(chǎn)者生產(chǎn)數(shù)據(jù)的速度絕對不能快于消費者消費數(shù)據(jù)的速度，否則時間一長，會最終耗盡所有的可用堆內(nèi)存空間。在實現(xiàn)PriorityBlockingQueue時，內(nèi)部控制線程同步的鎖采用的是公平鎖。

3.SynchronousQueue 

一種無緩沖的等待隊列，類似于無中介的直接交易，有點像原始社會中的生產(chǎn)者和消費者，生產(chǎn)者拿著產(chǎn)品去集市銷售給產(chǎn)品的最終消費者，而消費者必須親自去集市找到所要商品的直接生產(chǎn)者，如果一方?jīng)]有找到合適的目標，那么對不起，大家都在集市等待。相對于有緩沖的BlockingQueue來說，少了一個中間經(jīng)銷商的環(huán)節(jié)（緩沖區(qū)），如果有經(jīng)銷商，生產(chǎn)者直接把產(chǎn)品批發(fā)給經(jīng)銷商，而無需在意經(jīng)銷商最終會將這些產(chǎn)品賣給那些消費者，由于經(jīng)銷商可以庫存一部分商品，因此相對于直接交易模式，總體來說采用中間經(jīng)銷商的模式會吞吐量高一些（可以批量買賣）；但另一方面，又因為經(jīng)銷商的引入，使得產(chǎn)品從生產(chǎn)者到消費者中間增加了額外的交易環(huán)節(jié)，單個產(chǎn)品的及時響應(yīng)性能可能會降低。 

　　聲明一個SynchronousQueue有兩種不同的方式，它們之間有著不太一樣的行為。公平模式和非公平模式的區(qū)別: 

　　如果采用公平模式：SynchronousQueue會采用公平鎖，并配合一個FIFO隊列來阻塞多余的生產(chǎn)者和消費者，從而體系整體的公平策略； 

　　但如果是非公平模式（SynchronousQueue默認）：SynchronousQueue采用非公平鎖，同時配合一個LIFO隊列來管理多余的生產(chǎn)者和消費者，而后一種模式，如果生產(chǎn)者和消費者的處理速度有差距，則很容易出現(xiàn)饑渴的情況，即可能有某些生產(chǎn)者或者是消費者的數(shù)據(jù)永遠都得不到處理。 

小結(jié) 

　　BlockingQueue不光實現(xiàn)了一個完整隊列所具有的基本功能，同時在多線程環(huán)境下，他還自動管理了多線間的自動等待于喚醒功能，從而使得程序員可以忽略這些細節(jié)，關(guān)注更高級的功能。

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