[Java并发编程实战] 阻塞队列 BlockingQueue(含代码，生产者-消费者模型)

Posted 2020-11-12

见贤思齐焉，见不贤而内自省也。—《论语》

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Java5.0 增加了两种新的容器类型，它们是指：Queue 和 BlockingQueue。Queue 用来临时保存一组等待处理的元素。BlockingQueue 扩张了 Queue 接口，增加了可阻塞的插入和获取等操作。

BlockingQueue 通常运用于一个线程生产对象放入队列，另一个线程从队列获取对象并消费，这是典型的生产者消费者模型。

这里写图片描述

生产者线程持续生产新对象并插入队列，如果队列已满，那么插入对象的操作会一直阻塞，直到队列中出现可用的空间。
消费者线程持续从队列获取对象，如果队列为空，那么获取操作会一直阻塞，直到队列中出现可用的新对象。BlockingQueue 简化了生产者-消费者设计的实现过程，它支持任意数量的生产者和消费者。

BlockingQueue 的核心方法：

这里写图片描述

offer(E): 向队列插入元素，并返回插入成功与否。本方法不阻塞当前执行线程。

put(E) : 向队列插入元素，如果队列已满，则会阻塞当前线程直至元素加入队列。

take() : 获取队列的首位元素，如果队列为空，则阻塞当前线程直至队列有元素并取走。

poll():获取队列首个元素，指定时间内一旦数据可取，则立即返回；否则返回失败。

remove(E):删除队列中的元素，返回成功与否。

BlockingQueue 的实现

BlockingQueue是一个接口，所以你必须使用它的实现来使用它。它的实现包括以下几个：

• ArrayBlockingQueue：基于数组实现的有界队列(FIFO)，使用一把全局锁并行对 queue 读写操作，同时使用两个 Condition 阻塞队列为空时的取操作和队列为满时的写操作。

• LinkedBlockingQueue：基于已链接节点的，范围上限为 Integer.MAX_VALUE 的 blocking queue(FIFO)。主要操作 put 和 take 都是阻塞的。

• DelayQueue：当指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取元素。它没有大小限制，因此插入元素时不会阻塞，而只有获取元素时才会被阻塞。它的用法可以参考下面两篇博客：
  http://www.cnblogs.com/jobs/archive/2007/04/27/730255.html，
  http://www.cnblogs.com/sunzhenchao/p/3515085.html

• PriorityBlockingQueue: 基于优先级的阻塞队列,但需要注意的是PriorityBlockingQueue并不会阻塞数据生产者，而只会在没有可消费的数据时，阻塞数据的消费者。

• SynchronoutQueue：它的内部同时只能够容纳单个元素。如果该队列已有一个元素的话，试图向队列插入一个新元素线程会阻塞，知道另一个线程将该元素从队列中拿走。同样，如果该队列为空，试图向队列中抽取一个元素的线程将会阻塞，知道另一个线程向队列中插入一个新的元素。SynchronousQueue适合一对一的匹配场景，没有容量，无法缓存。它的用法强烈推荐博客： 
  http://www.cnblogs.com/leesf456/p/5560362.html

BlockingQueue的使用

这是一个使用 BlockingQueue 的例子，本例使用 ArrayBlockingQueue 实现。首先，BlockingQueueTest 创建一个生产者线程 Procucer, 把字符存放进共享队列。然后创建三个消费者线程 Consumer，把字符串从队列中取出。Consumer 取到最后一个字符串时，中断所有消费者线程，结束程序。

 1import java.util.ArrayList;
 2import java.util.Iterator;
 3import java.util.List;
 4import java.util.Vector;
 5import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
 6import java.util.concurrent.BlockingQueue;
 7
 8public class BlockingQueueTest {
 9    //队列容量
10    private static final int SIZE = 5;
11    private static final int CONSUMER_SIZE = 3;
12    //消费者线程退出标志
13    private static String endString = "num:" + (SIZE*2-1);
14    //存放消费者线程
15    private static List list = new ArrayList<Thread>();
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17    public static void main(String[] args) throws Exception{
18        //创建固定长度的阻塞队列
19        BlockingQueue q = new ArrayBlockingQueue<String>(SIZE);
20
21        //创建生产者
22        Producer producer = new Producer(q);
23        //启动生产者线程，生产对象
24        producer.start();
25
26        //启动消费者线程，获取队列对象
27        for(int i = 0; i < CONSUMER_SIZE; i++) {
28            list.add(new Consumer(q));
29            ((Thread) list.get(i)).start();
30        }
31    }
32
33    //中断线程
34    public static void shutDownThread() {
35        for(int i = 0; i < CONSUMER_SIZE; i++) {
36            ((Thread) list.get(i)).interrupt();
37        }
38    }
39
40    static class Producer extends Thread{
41
42        private BlockingQueue queue = null;
43
44        public Producer(BlockingQueue q) {
45            this.queue = q;
46        }
47
48        @Override
49        public void run() {
50            // TODO Auto-generated method stub
51            try {
52                //生产10个对象，放进队列
53                for(int i = 0; i < SIZE*2; i++) {
54                    String str = "num:" + i;
55                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() +":"+"IN: " + str);
56                    queue.put(str);
57                    Thread.sleep(100);
58                }
59            } catch (InterruptedException e) {
60                // TODO Auto-generated catch block
61                e.printStackTrace();
62            }
63
64        }
65    }
66
67    //消费者线程
68    static class Consumer extends Thread{
69
70        private BlockingQueue queue = null;
71
72        public Consumer(BlockingQueue q) {
73            this.queue = q;
74        }
75
76        @Override
77        public void run() {
78            // TODO Auto-generated method stub
79            try {
80                //获取队列的元素，队列为空时会阻塞
81                while(true) {
82                    String str = (String) queue.take();
83                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + "OUT " + str);
84                    //已经取出最后一个元素，消费者线程应该退出,否则程序一直在运行
85                    if(str.equals(endString)) {
86                        shutDownThread();//中断线程
87                    }
88                }
89            } catch (InterruptedException e) {
90                // TODO Auto-generated catch block
91                e.printStackTrace();
92            }
93        }
94    }
95}

执行结果：

这里写图片描述

总结

java.util.concurrent 中实现的阻塞队列包含了足够的同步机制，从而能够安全的将对象从生产者线程发布到消费者线程。对于可变对象，生产者-消费者模型，把对象的所有权安全的从生产者交付给消费者。转移后，消费者线程获得这个对象的所有权（独占访问权,可以任意修改它），并且生产者线程不会再访问它。同时，阻塞队列负责所有的控制流，使得消费者生产者的代码更加简单和清晰。

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参考

1. https://blog.csdn.net/defonds/article/details/44021605/

2. http://www.cnblogs.com/leesf456/p/5428630.html

3. 《并发编程实战》