剖析Java中阻塞隊列的實現(xiàn)原理及應用場景
我們平時使用的一些常見隊列都是非阻塞隊列，比如PriorityQueue、LinkedList（LinkedList是雙向鏈表，它實現(xiàn)了Dequeue接口）。
使用非阻塞隊列的時候有一個很大問題就是：它不會對當前線程產生阻塞，那么在面對類似消費者-生產者的模型時，就必須額外地實現(xiàn)同步策略以及線程間喚醒策略，這個實現(xiàn)起來就非常麻煩。但是有了阻塞隊列就不一樣了，它會對當前線程產生阻塞，比如一個線程從一個空的阻塞隊列中取元素，此時線程會被阻塞直到阻塞隊列中有了元素。當隊列中有元素后，被阻塞的線程會自動被喚醒（不需要我們編寫代碼去喚醒）。這樣提供了極大的方便性。
一.幾種主要的阻塞隊列
自從Java 1.5之后，在java.util.concurrent包下提供了若干個阻塞隊列，主要有以下幾個：
ArrayBlockingQueue：基于數(shù)組實現(xiàn)的一個阻塞隊列，在創(chuàng)建ArrayBlockingQueue對象時必須制定容量大小。并且可以指定公平性與非公平性，默認情況下為非公平的，即不保證等待時間最長的隊列最優(yōu)先能夠訪問隊列。
LinkedBlockingQueue：基于鏈表實現(xiàn)的一個阻塞隊列，在創(chuàng)建LinkedBlockingQueue對象時如果不指定容量大小，則默認大小為Integer.MAX_VALUE。
PriorityBlockingQueue：以上2種隊列都是先進先出隊列，而PriorityBlockingQueue卻不是，它會按照元素的優(yōu)先級對元素進行排序，按照優(yōu)先級順序出隊，每次出隊的元素都是優(yōu)先級最高的元素。注意，此阻塞隊列為無界阻塞隊列，即容量沒有上限（通過源碼就可以知道，它沒有容器滿的信號標志），前面2種都是有界隊列。
DelayQueue：基于PriorityQueue，一種延時阻塞隊列，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也是一個無界隊列，因此往隊列中插入數(shù)據(jù)的操作（生產者）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。
二.阻塞隊列中的方法 VS 非阻塞隊列中的方法
1.非阻塞隊列中的幾個主要方法：
- add(E e):將元素e插入到隊列末尾，如果插入成功，則返回true；如果插入失敗（即隊列已滿），則會拋出異常；
- remove()：移除隊首元素，若移除成功，則返回true；如果移除失?。犃袨榭眨?，則會拋出異常；
- offer(E e)：將元素e插入到隊列末尾，如果插入成功，則返回true；如果插入失敗（即隊列已滿），則返回false；
- poll()：移除并獲取隊首元素，若成功，則返回隊首元素；否則返回null；
- peek()：獲取隊首元素，若成功，則返回隊首元素；否則返回null
對于非阻塞隊列，一般情況下建議使用offer、poll和peek三個方法，不建議使用add和remove方法。因為使用offer、poll和peek三個方法可以通過返回值判斷操作成功與否，而使用add和remove方法卻不能達到這樣的效果。注意，非阻塞隊列中的方法都沒有進行同步措施。
2.阻塞隊列中的幾個主要方法：
阻塞隊列包括了非阻塞隊列中的大部分方法，上面列舉的5個方法在阻塞隊列中都存在，但是要注意這5個方法在阻塞隊列中都進行了同步措施。除此之外，阻塞隊列提供了另外4個非常有用的方法：
- put(E e)
- take()
- offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)
- poll(long timeout, TimeUnit unit)
- put方法用來向隊尾存入元素，如果隊列滿，則等待；
- take方法用來從隊首取元素，如果隊列為空，則等待；
- offer方法用來向隊尾存入元素，如果隊列滿，則等待一定的時間，當時間期限達到時，如果還沒有插入成功，則返回false；否則返回true；
- poll方法用來從隊首取元素，如果隊列空，則等待一定的時間，當時間期限達到時，如果取到，則返回null；否則返回取得的元素；
三.阻塞隊列的實現(xiàn)原理
如果隊列是空的，消費者會一直等待，當生產者添加元素時候，消費者是如何知道當前隊列有元素的呢？如果讓你來設計阻塞隊列你會如何設計，讓生產者和消費者能夠高效率的進行通訊呢？讓我們先來看看JDK是如何實現(xiàn)的。
使用通知模式實現(xiàn)。所謂通知模式，就是當生產者往滿的隊列里添加元素時會阻塞住生產者，當消費者消費了一個隊列中的元素后，會通知生產者當前隊列可用。通過查看JDK源碼發(fā)現(xiàn)ArrayBlockingQueue使用了Condition來實現(xiàn)，代碼如下：
private final Condition notFull;
private final Condition notEmpty;
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
//省略其他代碼
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
insert(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
return extract();
} finally {
lock.unlock();
}
}
private void insert(E x) {
items[putIndex] = x;
putIndex = inc(putIndex);
++count;
notEmpty.signal();
}
當我們往隊列里插入一個元素時，如果隊列不可用，阻塞生產者主要通過LockSupport.park(this);來實現(xiàn)
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
繼續(xù)進入源碼，發(fā)現(xiàn)調用setBlocker先保存下將要阻塞的線程，然后調用unsafe.park阻塞當前線程。
public static void park(Object blocker) {
Thread t = Thread.currentThread();
setBlocker(t, blocker);
unsafe.park(false, 0L);
setBlocker(t, null);
}
unsafe.park是個native方法，代碼如下：
public native void park(boolean isAbsolute, long time);
park這個方法會阻塞當前線程，只有以下四種情況中的一種發(fā)生時，該方法才會返回。
與park對應的unpark執(zhí)行或已經(jīng)執(zhí)行時。注意：已經(jīng)執(zhí)行是指unpark先執(zhí)行，然后再執(zhí)行的park。
線程被中斷時。
如果參數(shù)中的time不是零，等待了指定的毫秒數(shù)時。
發(fā)生異?，F(xiàn)象時。這些異常事先無法確定。
我們繼續(xù)看一下JVM是如何實現(xiàn)park方法的，park在不同的操作系統(tǒng)使用不同的方式實現(xiàn)，在linux下是使用的是系統(tǒng)方法pthread_cond_wait實現(xiàn)。實現(xiàn)代碼在JVM源碼路徑src/os/linux/vm/os_linux.cpp里的 os::PlatformEvent::park方法，代碼如下：
void os::PlatformEvent::park() {
int v ;
for (;;) {
v = _Event ;
if (Atomic::cmpxchg (v-1, &_Event, v) == v) break ;
}
guarantee (v >= 0, "invariant") ;
if (v == 0) {
// Do this the hard way by blocking ...
int status = pthread_mutex_lock(_mutex);
assert_status(status == 0, status, "mutex_lock");
guarantee (_nParked == 0, "invariant") ;
++ _nParked ;
while (_Event < 0) {
status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);
// for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ...
// Treat this the same as if the wait was interrupted
if (status == ETIME) { status = EINTR; }
assert_status(status == 0 || status == EINTR, status, "cond_wait");
}
-- _nParked ;
// In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(),
// but then we'd need a MEMBAR after the ST.
_Event = 0 ;
status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
assert_status(status == 0, status, "mutex_unlock");
}
guarantee (_Event >= 0, "invariant") ;
}
}
pthread_cond_wait是一個多線程的條件變量函數(shù)，cond是condition的縮寫，字面意思可以理解為線程在等待一個條件發(fā)生，這個條件是一個全局變量。這個方法接收兩個參數(shù)，一個共享變量_cond，一個互斥量_mutex。而unpark方法在linux下是使用pthread_cond_signal實現(xiàn)的。park 在windows下則是使用WaitForSingleObject實現(xiàn)的。
當隊列滿時，生產者往阻塞隊列里插入一個元素，生產者線程會進入WAITING (parking)狀態(tài)。我們可以使用jstack dump阻塞的生產者線程看到這點：
"main" prio=5 tid=0x00007fc83c000000 nid=0x10164e000 waiting on condition [0x000000010164d000]
java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
- parking to wait for <0x0000000140559fe8> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject)
at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186)
at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2043)
at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.put(ArrayBlockingQueue.java:324)
at blockingqueue.ArrayBlockingQueueTest.main(ArrayBlockingQueueTest.java:11)
四.示例和使用場景
下面先使用Object.wait()和Object.notify()、非阻塞隊列實現(xiàn)生產者-消費者模式：
public class Test {
private int queueSize = 10;
private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(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("隊列空，等待數(shù)據(jù)");
queue.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
queue.notify();
}
}
queue.poll(); //每次移走隊首元素
queue.notify();
System.out.println("從隊列取走一個元素，隊列剩余"+queue.size()+"個元素");
}
}
}
}
class Producer extends Thread{
@Override
public void run() {
produce();
}
private void produce() {
while(true){
synchronized (queue) {
while(queue.size() == queueSize){
try {
System.out.println("隊列滿，等待有空余空間");
queue.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
queue.notify();
}
}
queue.offer(1); //每次插入一個元素
queue.notify();
System.out.println("向隊列取中插入一個元素，隊列剩余空間："+(queueSize-queue.size()));
}
}
}
}
}
這個是經(jīng)典的生產者-消費者模式，通過阻塞隊列和Object.wait()和Object.notify()實現(xiàn)，wait()和notify()主要用來實現(xiàn)線程間通信。
具體的線程間通信方式（wait和notify的使用）在后續(xù)問章中會講述到。
下面是使用阻塞隊列實現(xiàn)的生產者-消費者模式：
public class Test {
private int queueSize = 10;
private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(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("從隊列取走一個元素，隊列剩余"+queue.size()+"個元素");
} 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("向隊列取中插入一個元素，隊列剩余空間："+(queueSize-queue.size()));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
有沒有發(fā)現(xiàn)，使用阻塞隊列代碼要簡單得多，不需要再單獨考慮同步和線程間通信的問題。
在并發(fā)編程中，一般推薦使用阻塞隊列，這樣實現(xiàn)可以盡量地避免程序出現(xiàn)意外的錯誤。
阻塞隊列使用最經(jīng)典的場景就是socket客戶端數(shù)據(jù)的讀取和解析，讀取數(shù)據(jù)的線程不斷將數(shù)據(jù)放入隊列，然后解析線程不斷從隊列取數(shù)據(jù)解析。還有其他類似的場景，只要符合生產者-消費者模型的都可以使用阻塞隊列。
- 一口氣說出Java 6種延時隊列的實現(xiàn)方法(面試官也得服)
- 詳解Java阻塞隊列(BlockingQueue)的實現(xiàn)原理
- java中棧和隊列的實現(xiàn)和API的用法(詳解)
- Java 隊列實現(xiàn)原理及簡單實現(xiàn)代碼
- 解析Java中PriorityQueue優(yōu)先級隊列結構的源碼及用法
- Java利用Redis實現(xiàn)消息隊列的示例代碼
- java實現(xiàn)消息隊列的兩種方式(小結)
- 詳解Java消息隊列-Spring整合ActiveMq
- java優(yōu)先隊列PriorityQueue中Comparator的用法詳解
- Java中和隊列相關的基本操作
相關文章
這篇文章主要為大家詳細介紹了Struts2在打包json格式的懶加載異常問題，感興趣的小伙伴們可以參考一下2016-06-06
Java根據(jù)實體生成SQL數(shù)據(jù)庫表的示例代碼
這篇文章主要來和大家分享一個Java實現(xiàn)根據(jù)實體生成SQL數(shù)據(jù)庫表的代碼，文中的實現(xiàn)代碼講解詳細，感興趣的小伙伴可以跟隨小編一起學習一下2023-07-07
這篇文章主要介紹了Springboot之修改啟動端口的兩種方式(小結)，文中通過示例代碼介紹的非常詳細，對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學習學習吧2020-09-09
最近項目中有一個需求，就是Java 截取視頻資料中的某一幀作為縮略圖，文中通過示例代碼介紹的非常詳細，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們可以參考一下2021-09-09
這篇文章主要介紹了Java?awt-對話框簡單實現(xiàn)方式，具有很好的參考價值，希望對大家有所幫助。如有錯誤或未考慮完全的地方，望不吝賜教2021-12-12
springboot中用fastjson處理返回值為null的屬性值
在本篇文章里小編給大家整理的是一篇關于springboot中用fastjson處理返回值問題詳解內容，需要的朋友們參考下。2020-03-03
這篇文章主要介紹了Java連接redis及基本操作,結合實例形式較為詳細的分析了java針對redis數(shù)據(jù)庫的基本連接、配置及操作相關實現(xiàn)技巧,需要的朋友可以參考下2019-04-04
Mybatis分頁插件PageHelper手寫實現(xiàn)示例
這篇文章主要為大家介紹了Mybatis分頁插件PageHelper手寫實現(xiàn)示例，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進步，早日升職加薪2022-08-08
下面小編就為大家分享一篇將本地的jar包打到Maven的倉庫中實例，具有很好的參考價值，希望對大家有所幫助。一起跟隨小編過來看看吧2018-02-02
這篇文章主要介紹了Java的Atomic原子類詳解,本文通過示例代碼給大家介紹的非常詳細,對大家的學習或工作具有一定的參考借鑒價值,需要的朋友可以參考下2023-09-09