Java并发之BlockingQueue

Posted 2022-12-01 酷酷的糖先森

一、什么是BlockingQueue

BlockingQueue即阻塞队列，从阻塞这个词可以看出，在某些情况下对阻塞队列的访问可能会造成阻塞。被阻塞的情况主要有如下两种：

1. 当队列满了的时候进行入队列操作
2. 当队列空了的时候进行出队列操作

因此，当一个线程试图对一个已经满了的队列进行入队列操作时，它将会被阻塞，除非有另一个线程做了出队列操作；同样，当一个线程试图对一个空队列进行出队列操作时，它将会被阻塞，除非有另一个线程进行了入队列操作。

在Java中，BlockingQueue的接口位于java.util.concurrent 包中(在Java5版本开始提供)，由上面介绍的阻塞队列的特性可知，阻塞队列是线程安全的。

二、BlockingQueue的用法

阻塞队列主要用在生产者/消费者的场景，下面这幅图展示了一个线程生产、一个线程消费的场景：

负责生产的线程不断的制造新对象并插入到阻塞队列中，直到达到这个队列的上限值。队列达到上限值之后生产线程将会被阻塞，直到消费的线程对这个队列进行消费。同理，负责消费的线程不断的从队列中消费对象，直到这个队列为空，当队列为空时，消费线程将会被阻塞，除非队列中有新的对象被插入。

三、BlockingQueue接口中的方法

阻塞队列一共有四套方法分别用来进行insert、remove和examine，当每套方法对应的操作不能马上执行时会有不同的反应，下面这个表格就分类列出了这些方法

-	Throws Exception	Special Value	Blocks	Times Out
Insert	add(o)	offer(o)	put(o)	offer(o, timeout, timeunit)
Remove	remove(o)	poll()	take()	poll(timeout, timeunit)
Examine	element()	peek()

这四套方法对应的特点分别是：

1. ThrowsException：如果操作不能马上进行，则抛出异常
2. SpecialValue：如果操作不能马上进行，将会返回一个特殊的值，一般是true或者false
3. Blocks:如果操作不能马上进行，操作会被阻塞
4. TimesOut:如果操作不能马上进行，操作会被阻塞指定的时间，如果指定时间没执行，则返回一个特殊值，一般是true或者false

需要注意的是，我们不能向BlockingQueue中插入null，否则会报NullPointerException。

四、BlockingQueue的实现类

BlockingQueue只是java.util.concurrent包中的一个接口，而在具体使用时，我们用到的是它的实现类，当然这些实现类也位于java.util.concurrent包中。在Java6中，BlockingQueue的实现类主要有以下几种：

1. ArrayBlockingQueue
2. DelayQueue
3. LinkedBlockingQueue
4. PriorityBlockingQueue
5. SynchronousQueue

下面我们就分别介绍这几个实现类。

4.1 ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个有边界的阻塞队列，它的内部实现是一个数组。有边界的意思是它的容量是有限的，我们必须在其初始化的时候指定它的容量大小，容量大小一旦指定就不可改变。

ArrayBlockingQueue是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。下面是一个初始化和使用ArrayBlockingQueue的例子：

BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(1024);
queue.put("1");
Object object = queue.take();

4.2 DelayQueue

DelayQueue阻塞的是其内部元素，DelayQueue中的元素必须实现 java.util.concurrent.Delayed接口，这个接口的定义非常简单：

public interface Delayed extends Comparable<Delayed> 
long getDelay(TimeUnit unit);

getDelay()方法的返回值就是队列元素被释放前的保持时间，如果返回0或者一个负值，就意味着该元素已经到期需要被释放，此时DelayedQueue会通过其take()方法释放此对象。

从上面Delayed 接口定义可以看到，它还继承了Comparable接口，这是因为DelayedQueue中的元素需要进行排序，一般情况，我们都是按元素过期时间的优先级进行排序。

例1：为一个对象指定过期时间

首先，我们先定义一个元素，这个元素要实现Delayed接口

public class DelayedElement implements Delayed 
  private long expired;
  private long delay;
  private String name;

  DelayedElement(String elementName, long delay) 
         this. name = elementName;
         this. delay= delay;
         expired = ( delay + System. currentTimeMillis());
  

  @Override
  public int compareTo(Delayed o) 
        DelayedElement cached=(DelayedElement) o;
         return cached.getExpired()> expired?1:-1;
  

  @Override
  public long getDelay(TimeUnit unit) 

         return ( expired - System. currentTimeMillis());
  

  @Override
  public String toString() 
         return "DelayedElement [delay=" + delay + ", name=" + name + "]";
  

  public long getExpired() 
         return expired;
  

设置这个元素的过期时间为3s

public class DelayQueueExample 
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        DelayQueue<DelayedElement> queue= new DelayQueue<>();
        DelayedElement ele= new DelayedElement( "cache 3 seconds",3000);
         queue.put( ele);
        System. out.println( queue.take());

  

运行这个main函数，我们可以发现，我们需要等待3s之后才会打印这个对象。

其实DelayQueue应用场景很多，比如定时关闭连接、缓存对象，超时处理等各种场景，下面我们就拿学生考试为例让大家更深入的理解DelayQueue的使用。

例2：把所有考试的学生看做是一个DelayQueue，谁先做完题目释放谁

首先，我们构造一个学生对象

public class Student implements Runnable,Delayed
  private String name;  //姓名
  private long costTime;//做试题的时间
  private long finishedTime;//完成时间

  public Student(String name, long costTime) 
         this. name = name;
         this. costTime= costTime;
         finishedTime = costTime + System. currentTimeMillis();
  

  @Override
  public void run() 
        System. out.println( name + " 交卷,用时" + costTime /1000);
  

  @Override
  public long getDelay(TimeUnit unit) 
         return ( finishedTime - System. currentTimeMillis());
  

  @Override
  public int compareTo(Delayed o) 
        Student other = (Student) o;
         return costTime >= other. costTime?1:-1;
  

然后在构造一个教师对象对学生进行考试

public class Teacher 
  static final int STUDENT_SIZE = 30;
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        Random r = new Random();
        //把所有学生看做一个延迟队列
        DelayQueue<Student> students = new DelayQueue<Student>();
        //构造一个线程池用来让学生们“做作业”
        ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(STUDENT_SIZE);
         for ( int i = 0; i < STUDENT_SIZE; i++) 
               //初始化学生的姓名和做题时间
               students.put( new Student( "学生" + (i + 1), 3000 + r.nextInt(10000)));
        
        //开始做题
        while(! students.isEmpty())
               exec.execute( students.take());
        
         exec.shutdown();
  

我们看一下运行结果：

学生2 交卷,用时3
学生1 交卷,用时5
学生5 交卷,用时7
学生4 交卷,用时8
学生3 交卷,用时11

通过运行结果我们可以发现，每个学生在指定开始时间到达之后就会“交卷”（取决于getDelay()方法），并且是先做完的先交卷（取决于compareTo()方法）。

通过查看其源码可以看到，DelayQueue内部实现用的是PriorityQueue和一个Lock：

4.3 LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue阻塞队列大小的配置是可选的，如果我们初始化时指定一个大小，它就是有边界的，如果不指定，它就是无边界的。说是无边界，其实是采用了默认大小为Integer.MAX_VALUE的容量 。它的内部实现是一个链表。

和ArrayBlockingQueue一样，LinkedBlockingQueue 也是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。下面是一个初始化和使LinkedBlockingQueue的例子：

BlockingQueue<String> unbounded = new LinkedBlockingQueue<String>();
BlockingQueue<String> bounded   = new LinkedBlockingQueue<String>(1024);
bounded.put("Value");
String value = bounded.take();

4.4 PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个没有边界的队列，它的排序规则和 java.util.PriorityQueue一样。需要注意，PriorityBlockingQueue中允许插入null对象。

所有插入PriorityBlockingQueue的对象必须实现 java.lang.Comparable接口，队列优先级的排序规则就是按照我们对这个接口的实现来定义的。

另外，我们可以从PriorityBlockingQueue获得一个迭代器Iterator，但这个迭代器并不保证按照优先级顺序进行迭代。

下面我们举个例子来说明一下，首先我们定义一个对象类型，这个对象需要实现Comparable接口：

public class PriorityElement implements Comparable<PriorityElement> 
private int priority;//定义优先级
PriorityElement(int priority) 
    //初始化优先级
    this.priority = priority;

@Override
public int compareTo(PriorityElement o) 
    //按照优先级大小进行排序
    return priority >= o.getPriority() ? 1 : -1;

public int getPriority() 
    return priority;

public void setPriority(int priority) 
    this.priority = priority;

@Override
public String toString() 
    return "PriorityElement [priority=" + priority + "]";

然后我们把这些元素随机设置优先级放入队列中

public class PriorityBlockingQueueExample 
public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
    PriorityBlockingQueue<PriorityElement> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
    for (int i = 0; i < 5; i++) 
        Random random=new Random();
        PriorityElement ele = new PriorityElement(random.nextInt(10));
        queue.put(ele);
    
    while(!queue.isEmpty())
        System.out.println(queue.take());
    

看一下运行结果：

PriorityElement [priority=3]
PriorityElement [priority=4]
PriorityElement [priority=5]
PriorityElement [priority=8]
PriorityElement [priority=9]

4.5 SynchronousQueue

SynchronousQueue队列内部仅允许容纳一个元素。当一个线程插入一个元素后会被阻塞，除非这个元素被另一个线程消费。