27.阻塞队列

Posted 2022-09-27 纵横千里，捭阖四方

我们前面多次提到阻塞队列，那么阻塞队列到底是什么，有哪些常见的内容，我们这部分就来统一看一下。本节将介绍什么是阻塞队列、Java中阻塞队列的4种处理方式，并介绍 7种阻塞队列，最后分析阻塞队列的一种实现方式。

4.1 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。这两个附加的操作支持阻塞的插入和移除方法。

• 支持阻塞的插入方法:意思是当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满。

• 支持阻塞的移除方法:意思是在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是向队列里添加元素的线程，消费者是 从队列里取元素的线程。阻塞队列就是生产者用来存放元素、消费者用来获取元素的容器。

在阻塞队列不可用时，这两个附加操作提供了4种处理方式，如表所示。不过具体每种方式用的关键字是什么，一般人可能记不住，我们也没必要记，只要理解这里有四种方式，用的时候查一下就可以了。

我们看一下四种处理方式都是怎么进行的：

• 抛出异常:当队列满时，如果再往队列里插入元素，会抛出IllegalStateException("Queue full")异常。当队列空时，从队列里获取元素会抛出NoSuchElementException异常。

• 返回特殊值:当往队列插入元素时，会返回元素是否插入成功，成功返回true。如果是移 除方法，则是从队列里取出一个元素，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，直到队列可用或者响应中断退出。当队列空时，如果消费者线程从队列里take元素，队 列会阻塞住消费者线程，直到队列不为空。

• 超时退出:当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里插入元素，队列会阻塞生产者线程 一段时间，如果超过了指定的时间，生产者线程就会退出。

这里要注意的是 ，如果是无界阻塞队列，队列不可能会出现满的情况，所以使用put或offer方法永 远不会被阻塞，而且使用offer方法时，该方法永远返回true。

4.2 Java里的阻塞队列

JDK 提供了7个阻塞队列，如下：

• 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。

接下来我们逐个看一下每种队列的特性，不过仍然以理解为主，没必要记住。

4.2.1 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。

默认情况下不保证线程公平的访问队列，所谓公平访问队列是指阻塞的线程，可以按照 阻塞的先后顺序访问队列，即先阻塞线程先访问队列。非公平性是对先等待的线程是非公平 的，当队列可用时，阻塞的线程都可以争夺访问队列的资格，有可能先阻塞的线程最后才访问 队列。为了保证公平性，通常会降低吞吐量。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);

我们看一下其构造方法：

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) 
    if (capacity <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    this.items = new Object[capacity];
    lock = new ReentrantLock(fair);
    notEmpty = lock.newCondition();
    notFull =  lock.newCondition();

可以看到，访问者的公平性是通过可重入锁实现的。

4.2.2 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。

4.2.3 PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界阻塞队列。默认情况下元素采取自然顺序 升序排列。也可以自定义类实现compareTo()方法来指定元素排序规则，或者初始化 PriorityBlockingQueue时，指定构造参数Comparator来对元素进行排序。需要注意的是不能保证 同优先级元素的顺序。

4.2.4 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。

DelayQueue非常有用，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，比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。

4.2.4.1如何实现Delayed接口

DelayQueue队列的元素必须实现Delayed接口。我们可以参考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask类的实现，一共有三步。

第一步:在对象创建的时候，初始化基本数据。

使用time记录当前对象延迟到什么时候可以使用，使用sequenceNumber来标识元素在队列中的先后顺序。代码如下。

ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns) 
    super(r, result);
    this.time = ns;
    this.period = 0;
    this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();

第二步：实现getDelay方法

该方法返回当前元素还需要延时多长时间，单位是纳秒，代码如下。

public long getDelay(TimeUnit unit) 
    return unit.convert(time - now(), 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 为实现getDelay()方法时可以指定任意单位，一旦以秒或分作为单位，而延时时间又精确不到 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。

第三步:实现compareTo方法来指定元素的顺序。

例如，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 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 diff = getDelay(NANOSECONDS) - other.getDelay(NANOSECONDS);
    return (diff < 0) ? -1 : (diff > 0) ? 1 : 0;

4.2.4.2 如何实现延时阻塞队列

延时阻塞队列的实现很简单，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。

public E take() throws InterruptedException 
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try 
        for (;;) 
            E first = q.peek();
            if (first == null)
                available.await();
            else 
            //从此处开始
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                if (delay <= 0)
                    return q.poll();
                first = null; // don't retain ref while waiting
                if (leader != null)
                    available.await();
                else 
                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
                    leader = thisThread;
                    try 
                        available.awaitNanos(delay);
                     finally 
                        if (leader == thisThread)
                            leader = null;
                    
                
            
        
     finally 
//省略
    

代码中的变量leader是一个等待获取队列头部元素的线程。如果leader不等于空，表示已 经有线程在等待获取队列的头元素。所以，使用await()方法让当前线程等待信号。如果leader 等于空，则把当前线程设置成leader，并使用awaitNanos()方法让当前线程等待接收信号或等 待delay时间。

4.2.5 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。

它支持公平访问队列。默认情况下线程采用非公平性策略访问队列。使用以下构造方法 可以创建公平性访问的SynchronousQueue，如果设置为true，则等待的线程会采用先进先出的顺序访问队列。

public SynchronousQueue(boolean fair) 
    transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>();

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，非常适合传递性场景。SynchronousQueue的吞吐量高于 LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue。

4.2.6 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。

(1)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。

(2)tryTransfer方法

tryTransfer方法是用来试探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，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。

4.2.7 LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的是可以 从队列的两端插入和移出元素。双向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和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时可以设置容量防止其过度膨胀。另外，双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。

4.3 阻塞队列的基本实现原理

如果队列是空的，消费者会一直等待，当生产者添加元素时，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，如何让生产者和消费者进行高效率的 通信呢?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：

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) 
    if (capacity <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    this.items = new Object[capacity];
    lock = new ReentrantLock(fair);
    notEmpty = lock.newCondition();
    notFull =  lock.newCondition();

public void put(E e) throws InterruptedException 
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try 
        while (count == items.length)
            notFull.await();
        enqueue(e);
     finally 
        lock.unlock();
    


public E take() throws InterruptedException 
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try 
        while (count == 0)
            notEmpty.await();
        return dequeue();
     finally 
        lock.unlock();
    

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

public final void await() throws InterruptedException 
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    Node node = addConditionWaiter();
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) 
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);

继续进入park()源码，发现调用setBlocker先保存一下将要阻塞的线程，然后调用unsafe.park阻塞当前线程。

public static void park(Object blocker) 
    Thread t = Thread.currentThread();
    setBlocker(t, blocker);
    UNSAFE.park(false, 0L);
    setBlocker(t, null);

unsafe.park是个native方法，我们要想继续看就要看JVM源码了。

park这个方法会阻塞当前线程，只有以下4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。“已经执行”是指unpark先执行，然后再执行park的情况。

• 线程被中断时。

• 等待完time参数指定的毫秒数时。

• 异常现象发生时，这个异常现象没有任何原因。