聊聊并发——Java中的阻塞队列

Posted 2020-10-06 xunianchong

1. 什么是阻塞队列？

阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是：在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素。

阻塞队列提供了四种处理方法:

方法\处理方式	抛出异常	返回特殊值	一直阻塞	超时退出
插入方法	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e,time,unit)
移除方法	remove()	poll()	take()	poll(time,unit)
检查方法	element()	peek()	不可用	不可用

• 抛出异常：是指当阻塞队列满时候，再往队列里插入元素，会抛出IllegalStateException(“Queue full”)异常。当队列为空时，从队列里获取元素时会抛出NoSuchElementException异常 。
• 返回特殊值：插入方法会返回是否成功，成功则返回true。移除方法，则是从队列里拿出一个元素，如果没有则返回null
• 一直阻塞：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里put元素，队列会一直阻塞生产者线程，直到拿到数据，或者响应中断退出。当队列空时，消费者线程试图从队列里take元素，队列也会阻塞消费者线程，直到队列可用。
• 超时退出：当阻塞队列满时，队列会阻塞生产者线程一段时间，如果超过一定的时间，生产者线程就会退出。

2. Java里的阻塞队列

JDK7提供了7个阻塞队列。分别是

• ArrayBlockingQueue ：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
• LinkedBlockingQueue ：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。
• PriorityBlockingQueue ：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
• DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。
• SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。
• LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。
• LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个用数组实现的有界阻塞队列。此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。默认情况下不保证访问者公平的访问队列，所谓公平访问队列是指阻塞的所有生产者线程或消费者线程，当队列可用时，可以按照阻塞的先后顺序访问队列，即先阻塞的生产者线程，可以先往队列里插入元素，先阻塞的消费者线程，可以先从队列里获取元素。通常情况下为了保证公平性会降低吞吐量。我们可以使用以下代码创建一个公平的阻塞队列：

1	ArrayBlockingQueue fairQueue = new  ArrayBlockingQueue(1000,true);

访问者的公平性是使用可重入锁实现的，代码如下：

1	public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {

2	if (capacity <= 0)

3	throw new IllegalArgumentException();

4	this.items = new Object[capacity];

5	lock = new ReentrantLock(fair);

6	notEmpty = lock.newCondition();

7	notFull =  lock.newCondition();

8

}

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是一个用链表实现的有界阻塞队列。此队列的默认和最大长度为Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界队列。默认情况下元素采取自然顺序排列，也可以通过比较器comparator来指定元素的排序规则。元素按照升序排列。

DelayQueue

DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用PriorityQueue来实现。队列中的元素必须实现Delayed接口，在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。我们可以将DelayQueue运用在以下应用场景：

• 缓存系统的设计：可以用DelayQueue保存缓存元素的有效期，使用一个线程循环查询DelayQueue，一旦能从DelayQueue中获取元素时，表示缓存有效期到了。
• 定时任务调度。使用DelayQueue保存当天将会执行的任务和执行时间，一旦从DelayQueue中获取到任务就开始执行，从比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。

队列中的Delayed必须实现compareTo来指定元素的顺序。比如让延时时间最长的放在队列的末尾。实现代码如下：

01	public int compareTo(Delayed other) {

02	if (other == this) // compare zero ONLY if same object

03

return 0;

04	if (other instanceof ScheduledFutureTask) {

05	ScheduledFutureTask x = (ScheduledFutureTask)other;

06	long diff = time - x.time;

07	if (diff < 0)

08	return -1;

09	else if (diff > 0)

10

return 1;

11	else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)

12	return -1;

13

else

14

return 1;

15

}

16	long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -

17	other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));

18	return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);

19

}

如何实现Delayed接口

我们可以参考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask类。这个类实现了Delayed接口。首先：在对象创建的时候，使用time记录前对象什么时候可以使用，代码如下：

1	ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {

2	super(r, result);

3	this.time = ns;

4	this.period = period;

5	this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();

6

}

然后使用getDelay可以查询当前元素还需要延时多久，代码如下：

public long getDelay(TimeUnit unit) {
            return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
        }

通过构造函数可以看出延迟时间参数ns的单位是纳秒，自己设计的时候最好使用纳秒，因为getDelay时可以指定任意单位，一旦以纳秒作为单位，而延时的时间又精确不到纳秒就麻烦了。使用时请注意当time小于当前时间时，getDelay会返回负数。

如何实现延时队列

延时队列的实现很简单，当消费者从队列里获取元素时，如果元素没有达到延时时间，就阻塞当前线程。

1	long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);

2	if (delay <= 0)

3	return q.poll();

4	else if (leader != null)

5	available.await();

SynchronousQueue

SynchronousQueue是一个不存储元素的阻塞队列。每一个put操作必须等待一个take操作，否则不能继续添加元素。SynchronousQueue可以看成是一个传球手，负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。队列本身并不存储任何元素，非常适合于传递性场景,比如在一个线程中使用的数据，传递给另外一个线程使用，SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一个由链表结构组成的无界阻塞TransferQueue队列。相对于其他阻塞队列LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。

transfer方法。如果当前有消费者正在等待接收元素（消费者使用take()方法或带时间限制的poll()方法时），transfer方法可以把生产者传入的元素立刻transfer（传输）给消费者。如果没有消费者在等待接收元素，transfer方法会将元素存放在队列的tail节点，并等到该元素被消费者消费了才返回。transfer方法的关键代码如下：

1	Node pred = tryAppend(s, haveData);

2	return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);

第一行代码是试图把存放当前元素的s节点作为tail节点。第二行代码是让CPU自旋等待消费者消费元素。因为自旋会消耗CPU，所以自旋一定的次数后使用Thread.yield()方法来暂停当前正在执行的线程，并执行其他线程。

tryTransfer方法。则是用来试探下生产者传入的元素是否能直接传给消费者。如果没有消费者等待接收元素，则返回false。和transfer方法的区别是tryTransfer方法无论消费者是否接收，方法立即返回。而transfer方法是必须等到消费者消费了才返回。

对于带有时间限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法，则是试图把生产者传入的元素直接传给消费者，但是如果没有消费者消费该元素则等待指定的时间再返回，如果超时还没消费元素，则返回false，如果在超时时间内消费了元素，则返回true。

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的你可以从队列的两端插入和移出元素。双端队列因为多了一个操作队列的入口，在多线程同时入队时，也就减少了一半的竞争。相比其他的阻塞队列，LinkedBlockingDeque多了addFirst，addLast，offerFirst，offerLast，peekFirst，peekLast等方法，以First单词结尾的方法，表示插入，获取（peek）或移除双端队列的第一个元素。以Last单词结尾的方法，表示插入，获取或移除双端队列的最后一个元素。另外插入方法add等同于addLast，移除方法remove等效于removeFirst。但是take方法却等同于takeFirst，不知道是不是Jdk的bug，使用时还是用带有First和Last后缀的方法更清楚。在初始化LinkedBlockingDeque时可以初始化队列的容量，用来防止其再扩容时过渡膨胀。另外双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。

3. 阻塞队列的实现原理

如果队列是空的，消费者会一直等待，当生产者添加元素时候，消费者是如何知道当前队列有元素的呢？如果让你来设计阻塞队列你会如何设计，让生产者和消费者能够高效率的进行通讯呢？让我们先来看看JDK是如何实现的。

使用通知模式实现。所谓通知模式，就是当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞住生产者，当消费者消费了一个队列中的元素后，会通知生产者当前队列可用。通过查看JDK源码发现ArrayBlockingQueue使用了Condition来实现，代码如下：

01	private final Condition notFull;

02	private final Condition notEmpty;

03

04	public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {

05

//省略其他代码

06	notEmpty = lock.newCondition();

07	notFull =  lock.newCondition();

08

}

09

10	public void put(E e) throws InterruptedException {

11	checkNotNull(e);

12	final ReentrantLock lock = this.lock;

13	lock.lockInterruptibly();

14

try {

15	while (count == items.length)

16	notFull.await();

17	insert(e);

18	} finally {

19	lock.unlock();

20

}

21

}

22

23	public E take() throws InterruptedException {

24	final ReentrantLock lock = this.lock;

25	lock.lockInterruptibly();

26

try {

27	while (count == 0)

28	notEmpty.await();

29	return extract();

30	} finally {

31	lock.unlock();

32

}

33

}

34

35	private void insert(E x) {

36	items[putIndex] = x;

37	putIndex = inc(putIndex);

38

++count;

39	notEmpty.signal();

40

}

当我们往队列里插入一个元素时，如果队列不可用，阻塞生产者主要通过LockSupport.park(this);来实现

01	public final void await() throws InterruptedException {

02	if (Thread.interrupted())

03	throw new InterruptedException();

04	Node node = addConditionWaiter();

05	int savedState = fullyRelease(node);

06	int interruptMode = 0;

07	while (!isOnSyncQueue(node)) {

08	LockSupport.park(this);

09	if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)

10

break;

11

}

12	if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)

13	interruptMode = REINTERRUPT;

14	if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled

15	unlinkCancelledWaiters();

16	if (interruptMode != 0)

17

18	reportInterruptAfterWait(interruptMode);

19

}

继续进入源码，发现调用setBlocker先保存下将要阻塞的线程，然后调用unsafe.park阻塞当前线程。

1	public static void park(Object blocker) {

2	Thread t = Thread.currentThread();

3	setBlocker(t, blocker);

4	unsafe.park(false, 0L);

5	setBlocker(t, null);

6

}

unsafe.park是个native方法，代码如下：

1	public native void park(boolean isAbsolute, long time);

park这个方法会阻塞当前线程，只有以下四种情况中的一种发生时，该方法才会返回。

• 与park对应的unpark执行或已经执行时。注意：已经执行是指unpark先执行，然后再执行的park。
• 线程被中断时。
• 如果参数中的time不是零，等待了指定的毫秒数时。
• 发生异常现象时。这些异常事先无法确定。

我们继续看一下JVM是如何实现park方法的，park在不同的操作系统使用不同的方式实现，在linux下是使用的是系统方法pthread_cond_wait实现。实现代码在JVM源码路径src/os/linux/vm/os_linux.cpp里的 os::PlatformEvent::park方法，代码如下：

01	void os::PlatformEvent::park() {

02

int v ;

03	for (;;) {

04	v = _Event ;

05	if (Atomic::cmpxchg (v-1, &_Event, v) == v) break ;

06

}

07	guarantee (v >= 0, "invariant") ;

08	if (v == 0) {

09	// Do this the hard way by blocking ...

10	int status = pthread_mutex_lock(_mutex);

11	assert_status(status == 0, status, "mutex_lock");

12	guarantee (_nParked == 0, "invariant") ;

13	++ _nParked ;

14	while (_Event < 0) {

15	status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);

16	// for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ...

17	// Treat this the same as if the wait was interrupted

18	if (status == ETIME) { status = EINTR; }

19	assert_status(status == 0 || status == EINTR, status, "cond_wait");

20

}

21	-- _nParked ;

22

23	// In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(),

24	// but then we‘d need a MEMBAR after the ST.

25	_Event = 0 ;

26	status = pthread_mutex_unlock(_mutex);

27	assert_status(status == 0, status, "mutex_unlock");

28

}

29	guarantee (_Event >= 0, "invariant") ;

30

}

31

32

}

pthread_cond_wait是一个多线程的条件变量函数，cond是condition的缩写，字面意思可以理解为线程在等待一个条件发生，这个条件是一个全局变量。这个方法接收两个参数，一个共享变量_cond，一个互斥量_mutex。而unpark方法在linux下是使用pthread_cond_signal实现的。park 在windows下则是使用WaitForSingleObject实现的。

当队列满时，生产者往阻塞队列里插入一个元素，生产者线程会进入WAITING (parking)状态。我们可以使用jstack dump阻塞的生产者线程看到这点：

1	"main" prio=5 tid=0x00007fc83c000000 nid=0x10164e000 waiting on condition [0x000000010164d000]

2	java.lang.Thread.State: WAITING (parking)

3	at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)

4	- parking to wait for  <0x0000000140559fe8> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject)

5	at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186)

6	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2043)

7	at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.put(ArrayBlockingQueue.java:324)

8	at blockingqueue.ArrayBlockingQueueTest.main(ArrayBlockingQueueTest.java:11)