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詳解java中的阻塞隊列

 更新時間:2020年06月11日 15:57:31   作者:bmilk  
這篇文章主要介紹了java中的阻塞隊列的相關(guān)知識,文中代碼非常詳細(xì),供大家參考和學(xué)習(xí),感興趣的朋友可以了解下

阻塞隊列簡介

阻塞隊列(BlockingQueue)首先是一個支持先進(jìn)先出的隊列,與普通的隊列完全相同;
其次是一個支持阻塞操作的隊列,即:

  • 當(dāng)隊列滿時,會阻塞執(zhí)行插入操作的線程,直到隊列不滿。
  • 當(dāng)隊列為空時,會阻塞執(zhí)行獲取操作的線程,直到隊列不為空。

阻塞隊列用在多線程的場景下,因此阻塞隊列使用了鎖機(jī)制來保證同步,這里使用的可重入鎖;
而對于阻塞與喚醒機(jī)制則有與鎖綁定的Condition實現(xiàn)

應(yīng)用場景:生產(chǎn)者消費者模式

java中的阻塞隊列

java中的阻塞隊列根據(jù)容量可以分為有界隊列和無界隊列:

  • 有界隊列:隊列中只能存儲有限個元素,超出后存放元素線程會被阻塞或者失敗。
  • 無界隊列:隊列中可以存儲無限個元素。

java8中提供了7種阻塞隊列阻塞隊列供開發(fā)者使用,如下表:

類名 描述
ArrayBlockingQueue 一個由數(shù)組結(jié)構(gòu)組成的有界阻塞隊列
LinkedBlockingQueue 由鏈表結(jié)構(gòu)組成的有界阻塞隊列(默認(rèn)大小Integer.MAX_VALUE)
PriorityBlockingQueue 支持優(yōu)先級排序的無界阻塞隊列
DelayQueue 使用優(yōu)先級隊列實現(xiàn)的延遲無界阻塞隊列
SynchronousQueue 不存儲元素的阻塞隊列,即單個元素的隊列
LinkedTransferQueue 由鏈表結(jié)構(gòu)組成的無界阻塞隊列
LinkedBlockingDeque 由鏈表結(jié)構(gòu)組成的雙向阻塞隊列

另外還有一個在ScheduledThreadPoolExecutor中實現(xiàn)的DelayedWorkQueue阻塞隊列,
但這個阻塞隊列開發(fā)者不能使用。它們之間的UML類圖如下圖:

BlockingQueue接口是阻塞隊列對外的訪問接口,所有的阻塞隊列都實現(xiàn)了BlockQueue中的方法

BlockQueue中方法

作為一個隊列的核心方法就是入隊和出隊。由于存在阻塞策略,BlockQueue將出隊入隊的情況分為了四組,每組提供不同的方法:

  • 拋出異常:當(dāng)隊列滿時,如果再往隊列中插入元素,則拋出IllegalStateException異常;當(dāng)隊列為空時,從隊列中獲取元素則拋出NoSuchElementException異常。
  • 返回特定值(布爾值):當(dāng)隊列滿時,如果再往隊列中插入元素,則返回false;當(dāng)隊列為空時,從隊列中獲取元素則返回null。
  • 一直阻塞:當(dāng)隊列滿時,如果再往隊列中插入元素,阻塞當(dāng)前線程直到隊列中至少一個被移除或者響應(yīng)中斷退出;當(dāng)隊列為空時,則阻塞當(dāng)前線程直到至少一個元素元素入隊或者響應(yīng)中斷退出。
  • 超時退出:當(dāng)隊列滿時,如果再往隊列中插入元素,阻塞當(dāng)前線程直到隊列中至少一個被移除或者達(dá)到指定的等待時間退出或者響應(yīng)中斷退出;當(dāng)隊列為空時,則阻塞當(dāng)前線程直到至少一個元素元素入隊或者達(dá)到指定的等待時間退出或者響應(yīng)中斷退出。

對于每種情況BlockingQueue提供的方法如下表:

方法\處理方式 拋出異常 返回特定值(布爾值)  一直阻塞 超時退出
插入 add(e) offer(e) put(e) offer(e,time,unit)
移除 remove() poll() take() poll(time.unit)
檢查 element() peek() 不可用 不可用

上述方法一般用于生產(chǎn)者-消費者模型中,是其中的生產(chǎn)和消費操作隊列的核心方法。
除了這些方法,BlockingQueue還提供了一些其他的方法如下表:

方法名稱 描述
remove(Object o) 從隊列中移除一個指定值
size() 獲取隊列中元素的個數(shù)
contains(Object o) 判斷隊列是否包含指定的元素,但是這個元素在這次判斷完可能就會被消費
drainTo(Collection<? super E> c) 將隊列中元素放在給定的集合中,并返回添加的元素個數(shù)
drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements) 將隊列中元素取maxElements(不超過隊列中元素個數(shù))個放在給定的集合中,并返回添加的元素個數(shù)
remainingCapacity() 計算隊列中還可以存放的元素個數(shù)
toArray() 以objetc數(shù)組的形式獲取隊列中所有的元素
toArray(T[] a) 以給定類型數(shù)組的方式獲取隊列中所有的元素
clear() 清空隊列,危險的操作

阻塞隊列的實現(xiàn)原理

阻塞隊列的實現(xiàn)依靠通知模式實現(xiàn):當(dāng)生產(chǎn)者向滿了的隊列中添加元素時,會阻塞住生產(chǎn)者,
直到消費者消費了一個隊列中的元素后會通知消費者隊列可用,此時再由生產(chǎn)者向隊列中添加元素。反之亦然。

阻塞隊列的阻塞喚醒依靠Condition——條件隊列來實現(xiàn)。

以ArrayBlockingQueue為例說明:

ArrayBlockingQueue的定義:

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
 implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
 
 /** The queued items */
 //以數(shù)組的結(jié)構(gòu)存儲隊列的元素,采用的是循環(huán)數(shù)組
 final Object[] items;

 /** items index for next take, poll, peek or remove */
 //隊列的隊頭索引
 int takeIndex;

 /** items index for next put, offer, or add */
 //隊列的隊尾索引
 int putIndex;

 /** Number of elements in the queue */
 //隊列中元素的個數(shù)
 int count;

 /** Main lock guarding all access */
 //對于ArrayBlockingQueue所有的操作都需要加鎖,
 final ReentrantLock lock;

 /** Condition for waiting takes */
 //條件隊列,當(dāng)隊列為空時阻塞消費者并在生產(chǎn)者生產(chǎn)后喚醒消費者
 private final Condition notEmpty;

 /** Condition for waiting puts */
 //條件隊列,當(dāng)隊列滿時阻塞生產(chǎn)者,并在消費者消費隊列后喚醒生產(chǎn)者
 private final Condition notFull;
}

根據(jù)類的定義字段可以看到,有兩個Condition條件隊列,猜測以下過程

  • 當(dāng)隊列為空,消費者試圖消費時應(yīng)該調(diào)用notEmpty.await()方法阻塞,并在生產(chǎn)者生產(chǎn)后調(diào)用notEmpty.single()方法
  • 當(dāng)隊列已滿,生產(chǎn)者試圖放入元素應(yīng)調(diào)用notFull.await()方法阻塞,并在消費者消費隊列后調(diào)用notFull.single()方法向隊

向隊列中添加元素put()方法的添加過程。

 /**
 * 向隊列中添加元素
 * 當(dāng)隊列已滿時需要阻塞當(dāng)前線程
 * 放入元素后喚醒因隊列為空阻塞的消費者
 */
 public void put(E e) throws InterruptedException {
 checkNotNull(e);
 final ReentrantLock lock = this.lock;
 lock.lockInterruptibly();
 try {
  //當(dāng)隊列已滿時需要notFull.await()阻塞當(dāng)前線程
  //offer(e,time,unit)方法就是阻塞的時候加了超時設(shè)定
  while (count == items.length)
  notFull.await();
  //放入元素的過程
  enqueue(e);
 } finally {
  lock.unlock();
 }
 }
 
 /**enqueue實際添加元素的方法*/
 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++;
 //如果條件隊列中存在等待的線程
 //喚醒
 notEmpty.signal();
 }

從隊列中獲取元素take()方法的獲取過程。

 /**
 * 從隊列中獲取元素
 * 當(dāng)隊列已空時阻塞當(dāng)前線程
 * 從隊列中消費元素后喚醒等待的生產(chǎn)線程
 */
 public E take() throws InterruptedException {
 final ReentrantLock lock = this.lock;
 lock.lockInterruptibly();
 try {
  //隊列為空需要阻塞當(dāng)前線程
  while (count == 0)
  notEmpty.await();
  //獲取元素的過程
  return dequeue();
 } finally {
  lock.unlock();
 }
 }
 
 /**dequeue實際消費元素的方法*/
 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();
 //消費元素后從喚醒阻塞的生產(chǎn)者線程
 notFull.signal();
 return x;
 }

總結(jié)

阻塞隊列提供了不同于普通隊列的增加、刪除元素的方法,核心在與隊列滿時阻塞生產(chǎn)者和隊列空時阻塞消費者。
這一阻塞過程依靠與鎖綁定的Condition對象實現(xiàn)。Condition接口的實現(xiàn)在AQS中實現(xiàn),具體的實現(xiàn)類是
ConditionObject

以上就是詳解java中的阻塞隊列的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于java 阻塞隊列的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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