Java并发(6):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。

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)  用来向队尾存入元素,如果队列满,则等待;

  take()  用来从队首取元素,如果队列为空,则等待;

  offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)  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(long timeout, TimeUnit unit)  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

  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:

 1 public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
 2 implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
 3
 4 private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;
 5
 6 /** The queued items  */
 7 private final E[] items;
 8 /** items index for next take, poll or remove */
 9 private int takeIndex;
10 /** items index for next put, offer, or add. */
11 private int putIndex;
12 /** Number of items in the queue */
13 private int count;
14
15 /*
16 * Concurrency control uses the classic two-condition algorithm
17 * found in any textbook.
18 */
19
20 /** Main lock guarding all access */
21 private final ReentrantLock lock;
22 /** Condition for waiting takes */
23 private final Condition notEmpty;
24 /** Condition for waiting puts */
25 private final Condition notFull;
26 }

  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:

1 public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
2 }
3 public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
4
5 }
6 public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
7                           Collection<? extends E> c) {
8 }

  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():

 1 public void put(E e) throws InterruptedException {
 2     if (e == null) throw new NullPointerException();
 3     final E[] items = this.items;
 4     final ReentrantLock lock = this.lock;
 5     lock.lockInterruptibly();
 6     try {
 7         try {
 8             while (count == items.length)
 9                 notFull.await();
10         } catch (InterruptedException ie) {
11             notFull.signal(); // propagate to non-interrupted thread
12             throw ie;
13         }
14         insert(e);
15     } finally {
16         lock.unlock();
17     }
18 }

  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:

1 private void insert(E x) {
2     items[putIndex] = x;
3     putIndex = inc(putIndex);
4     ++count;
5     notEmpty.signal();
6 }

  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:

 1 public E take() throws InterruptedException {
 2     final ReentrantLock lock = this.lock;
 3     lock.lockInterruptibly();
 4     try {
 5         try {
 6             while (count == 0)
 7                 notEmpty.await();
 8         } catch (InterruptedException ie) {
 9             notEmpty.signal(); // propagate to non-interrupted thread
10             throw ie;
11         }
12         E x = extract();
13         return x;
14     } finally {
15         lock.unlock();
16     }
17 }

  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:

1 private E extract() {
2     final E[] items = this.items;
3     E x = items[takeIndex];
4     items[takeIndex] = null;
5     takeIndex = inc(takeIndex);
6     --count;
7     notFull.signal();
8     return x;
9 }

  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:

 1 public class Test {
 2     private int queueSize = 10;
 3     private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
 4
 5     public static void main(String[] args)  {
 6         Test test = new Test();
 7         Producer producer = test.new Producer();
 8         Consumer consumer = test.new Consumer();
 9
10         producer.start();
11         consumer.start();
12     }
13
14     class Consumer extends Thread{
15
16         @Override
17         public void run() {
18             consume();
19         }
20
21         private void consume() {
22             while(true){
23                 synchronized (queue) {
24                     while(queue.size() == 0){
25                         try {
26                             System.out.println("队列空,等待数据");
27                             queue.wait();
28                         } catch (InterruptedException e) {
29                             e.printStackTrace();
30                             queue.notify();
31                         }
32                     }
33                     queue.poll();          //每次移走队首元素
34                     queue.notify();
35                     System.out.println("从队列取走一个元素,队列剩余"+queue.size()+"个元素");
36                 }
37             }
38         }
39     }
40
41     class Producer extends Thread{
42
43         @Override
44         public void run() {
45             produce();
46         }
47
48         private void produce() {
49             while(true){
50                 synchronized (queue) {
51                     while(queue.size() == queueSize){
52                         try {
53                             System.out.println("队列满,等待有空余空间");
54                             queue.wait();
55                         } catch (InterruptedException e) {
56                             e.printStackTrace();
57                             queue.notify();
58                         }
59                     }
60                     queue.offer(1);        //每次插入一个元素
61                     queue.notify();
62                     System.out.println("向队列取中插入一个元素,队列剩余空间:"+(queueSize-queue.size()));
63                 }
64             }
65         }
66     }
67 }

  这个是经典的生产者-消费者模式,通过非阻塞队列和Object.wait()和Object.notify()实现,wait()和notify()主要用来实现线程间通信。

  下面是使用阻塞队列实现的生产者-消费者模式:

 1 public class Test {
 2     private int queueSize = 10;
 3     private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(queueSize);
 4
 5     public static void main(String[] args)  {
 6         Test test = new Test();
 7         Producer producer = test.new Producer();
 8         Consumer consumer = test.new Consumer();
 9
10         producer.start();
11         consumer.start();
12     }
13
14     class Consumer extends Thread{
15
16         @Override
17         public void run() {
18             consume();
19         }
20
21         private void consume() {
22             while(true){
23                 try {
24                     queue.take();
25                     System.out.println("从队列取走一个元素,队列剩余"+queue.size()+"个元素");
26                 } catch (InterruptedException e) {
27                     e.printStackTrace();
28                 }
29             }
30         }
31     }
32
33     class Producer extends Thread{
34
35         @Override
36         public void run() {
37             produce();
38         }
39
40         private void produce() {
41             while(true){
42                 try {
43                     queue.put(1);
44                     System.out.println("向队列取中插入一个元素,队列剩余空间:"+(queueSize-queue.size()));
45                 } catch (InterruptedException e) {
46                     e.printStackTrace();
47                 }
48             }
49         }
50     }
51 }

  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。

参考:http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3932906.html

作者:海子
出处:http://www.cnblogs.com/dolphin0520/
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时间: 2024-10-25 14:45:37

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