JAVA多线程提高十二:阻塞队列应用

Posted 2020-12-04 屌丝码农

一、类相关属性

接口BlockingQueue<E>定义：

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {
    boolean    add(E e);
    boolean    offer(E e);
       void    put(E e) throws InterruptedException;
    boolean    offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
          E    take() throws InterruptedException;
          E    poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
        int    remainingCapacity();
    boolean    remove(Object o);
     public    boolean contains(Object o);
        int    drainTo(Collection<? super E> c);
        int    drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements);
}

方法摘要 

在所有方法对类中存储数据的数组做操作时，需要获取锁lock。

方法	摘要
boolean offer(E e)	将指定元素插入此队列中（如果立即可行且不会违反容量限制），成功时返回 true，如果当前没有可用的空间，则返回 false。
boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)	将指定元素插入此队列中，在到达指定的等待时间前等待可用的空间（如果有必要）。判断是否有可用空间，如果没有可用空间，等待timeout时间是否有可用空闲。
boolean add(E e)	将指定元素插入此队列中（如果立即可行且不会违反容量限制），成功时返回 true，如果当前没有可用的空间，则抛出 IllegalStateException。其实就是调用了offer(e)方法，如果offer(e)返回false就抛出异常
void put(E e)	将指定元素插入此队列中，将等待可用的空间（如果有必要）。如果没有空闲会一直等待，除非被interrupt了。
E take()	获取并移除此队列的头部，在元素变得可用之前一直等待（如果有必要）。如果没有数据就一直阻塞。
E poll()	获取并移除此队列的头部，如果没数据直接返回false，不阻塞。
E poll(long timeout, TimeUnit unit)	获取并移除此队列的头部，在指定的等待时间前等待可用的元素（如果有必要）。如果没数据就等待timeout时间，超时还没数据返回null。类似于boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
boolean remove(Object o)	从此队列中移除指定元素的单个实例（如果存在）。存在并删除返回true，否则返回false。
E peek()	获取但不删除此队列的头部，如果没数据直接返回null，不阻塞。
E element()	调用E peek()方法，如果peek返回值不为null，则element返回该值，否则抛出NoSuchElementException异常。
boolean contains(Object o)	如果此队列包含指定元素，则返回 true。类似remove(Object o)操作。
int drainTo(Collection c)	移除此队列中所有可用的元素，并将它们添加到给定 collection 中。
int drainTo(Collection c, int maxElements)	最多从此队列中移除给定数量的可用元素，并将这些元素添加到给定 collection 中。
int remainingCapacity()	返回在无阻塞的理想情况下（不存在内存或资源约束）此队列能接受的附加元素数量；如果没有内部限制，则返回 Integer.MAX_VALUE。

BlockingQueue 方法以四种形式出现，对于不能立即满足但可能在将来某一时刻可以满足的操作，这四种形式的处理方式不同：第一种是抛出一个异常，第二种是返回一个特殊值（null 或 false，具体取决于操作），第三种是在操作可以成功前，无限期地阻塞当前线程，第四种是在放弃前只在给定的最大时间限制内阻塞。下表中总结了这些方法：

抛出异常	特殊值	阻塞	超时
插入	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e, time, unit)
移除	remove()	poll()	take()	poll(time, unit)
检查	element()	peek()	不可用	不可用

二、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：

ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);

ArrayBlockingQueue源码非常值得分析，因为用了之前博客里讲的Lock、Condition等知识。也可参考这篇博客第八章 ArrayBlockingQueue源码解析

代码示例：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

public class BlockingQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        final BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(3);
        for(int i=0;i<2;i++){
            new Thread(){
                public void run(){
                    while(true){
                        try {
                            Thread.sleep((long)(Math.random()*1000));
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备放数据!");                            
                            queue.put(1);
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已经放了数据，" +                             
                                        "队列目前有" + queue.size() + "个数据");
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }

                    }
                }

            }.start();
        }

        new Thread(){
            public void run(){
                while(true){
                    try {
                        //将此处的睡眠时间分别改为100和1000，观察运行结果
                        Thread.sleep(1000);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备取数据!");
                        queue.take();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已经取走数据，" +                             
                                "队列目前有" + queue.size() + "个数据");                    
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }

        }.start();            
    }
}

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：

public int compareTo(Delayed other) {
           if (other == this) // compare zero ONLY if same object
                return 0;
            if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
                ScheduledFutureTask x = (ScheduledFutureTask)other;
                long diff = time - x.time;
                if (diff < 0)
                    return -1;
                else if (diff > 0)
                    return 1;
       else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)
                    return -1;
                else
                    return 1;
            }
            long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -
                      other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
            return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
        }

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：

ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
            super(r, result);
            this.time = ns;
            this.period = period;
            this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}

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。

long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
if (delay <= 0)
    return q.poll();
else if (leader != null)
    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：

Node pred = tryAppend(s, haveData);
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。

 

参考资料：

《多线程视频》张孝祥

<<聊聊并发（七）——Java中的阻塞队列>>