Java并發(fā)編程之阻塞隊列詳解
1、什么是阻塞隊列？
隊列是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它有兩個基本操作：在隊列尾部加入一個元素，從隊列頭部移除一個元素。阻塞隊里與普通的隊列的區(qū)別在于，普通隊列不會對當(dāng)前線程產(chǎn)生阻塞，在面對類似消費者-生產(chǎn)者模型時，就必須額外的實現(xiàn)同步策略以及線程間喚醒策略。使用阻塞隊列，就會對當(dāng)前線程產(chǎn)生阻塞，當(dāng)隊列是空時，從隊列中獲取元素的操作將會被阻塞，當(dāng)隊列是滿時，往隊列里添加元素的操作也會被阻塞。
2、主要的阻塞隊列及其方法
java.util.concurrent包下提供主要的幾種阻塞隊列，主要有以下幾個：
1）ArrayBlockingQueue:基于數(shù)組實現(xiàn)的阻塞隊列，在創(chuàng)建ArrayBlockingQueue對象時必須指定其容量大小，還可以指定訪問策略，默認情況下為非公平的，即不保證等待時間最長的線程最優(yōu)先能夠訪問隊列。
2）、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。
3）、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(biāo)志），前面2種都是有界隊列。
4）、DelayQueue：基于PriorityQueue，一種延時阻塞隊列，DelayQueue中的元素只有當(dāng)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(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。
阻塞隊列包括了非阻塞隊列中的大部分方法，還提供另外若干非常有用的方法：
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(dāng)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(dāng)時間期限達到時，如果取到，則返回null；否則返回取得的元素；
下面看一段代碼：
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
/**
* @author 作者：徐劍 E-mail:anxu_2013@163.com
* @version 創(chuàng)建時間：2016年3月20日 下午12:52:53
* 類說明
*/
public class BlockingQueue
{
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
java.util.concurrent.BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(5);
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
// 將指定元素添加到此隊列中
blockingQueue.put("加入元素" + i);
System.out.println("向阻塞隊列中添加了元素:" + i);
}
System.out.println("程序到此運行結(jié)束，即將退出----");
}
}
當(dāng)限制阻塞隊列數(shù)量為5時，添加了5個元素之后，繼續(xù)添加將會隊列外阻塞等待，此時程序并未終止。
當(dāng)隊列滿了之后，我們將隊首元素移除，則可以繼續(xù)向阻塞隊列中添加元素，代碼如下：
public class BlockingQueue
{
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
java.util.concurrent.BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(5);
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
// 將指定元素添加到此隊列中
blockingQueue.put("加入元素" + i);
System.out.println("向阻塞隊列中添加了元素:" + i);
if(i>=4)
System.out.println("移除隊首元素"+blockingQueue.take());
}
System.out.println("程序到此運行結(jié)束，即將退出----");
}
執(zhí)行結(jié)果如下：
3、阻塞隊列的實現(xiàn)原理
下面主要看一下ArrayBlockingQueue的實現(xiàn)原理。
首先看一下ArrayBlockingQueue類的成員變量：
public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
/** 底層存儲結(jié)構(gòu)-數(shù)組 */
final Object[] items;
/** 隊首元素下標(biāo) */
int takeIndex;
/** 隊尾元素下標(biāo) */
int putIndex;
/**隊列元素總數(shù) */
int count;
/** 重入鎖 */
final ReentrantLock lock;
/** notEmpty等待條件 */
private final Condition notEmpty;
/** notFull等待條件 */
private final Condition notFull;
/**
* Shared state for currently active iterators, or null if there
* are known not to be any. Allows queue operations to update
* iterator state.
*/
transient Itrs itrs = null;
可以看到，ArrayBlockingQueue用來存儲元素的實際上是一個數(shù)組。
再看下ArrayBlockingQueue兩個重要方法的實現(xiàn)，put()和take():
public void put(E e) throws InterruptedException
{
//先檢查e是否為空
checkNotNull(e);
//獲取鎖
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try
{
//當(dāng)隊列已滿，進入條件等待
while (count == items.length)
notFull.await();
//隊列不滿，進行入隊列操作
enqueue(e);
}
finally
{
//釋放鎖
lock.unlock();
}
}
再看下具體的入隊操作：
private void enqueue(E x)
{
final Object[] items = this.items;
//隊尾入隊
items[putIndex] = x;
if (++putIndex == items.length)
putIndex = 0;
//隊列總數(shù)+1
count++;
//notempty條件的等待集中隨機選擇一個線程，解除其阻塞狀態(tài)
notEmpty.signal();
}
下面是take()方法的源代碼：
public E take() throws InterruptedException
{
//獲取鎖
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try
{
//隊列為空
while (count == 0)
//線程加入notEmpty條件等待集
notEmpty.await();
//非空，出隊列
return dequeue();
} finally
{
//釋放鎖
lock.unlock();
}
}
4、阻塞隊列的應(yīng)用：實現(xiàn)消費者-生產(chǎn)者模式
/**
* @author 作者：徐劍 E-mail:anxu_2013@163.com
* @version 創(chuàng)建時間：2016年3月20日 下午2:21:55
* 類說明：阻塞隊列實現(xiàn)的消費者-生產(chǎn)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();
}
}
}
}
}
以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助。
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