Java 阻塞队列

Posted 2022-02-02 一朵花花

阻塞队列

• • 定义
  • 简单介绍 生产者—消费者 模型
  • 阻塞队列特点：
  • 代码实现阻塞队列
  • • 代码解析：
    • 测试代码：

定义

阻塞队列，它是一个特殊的队列，符合先进先出的特点，是并发编程中的一个重要基础组件
阻塞队列的一个典型应用场景就是 “生产者消费者模型”；其作为生产者—消费者模型中的交易场所

简单介绍 生产者—消费者 模型

以包饺子为例：
(假设面和馅是备好的，且 擀面杖只有一个~)

方法1： A，B，C 三个人包饺子；这三个人分别进行 擀皮 + 包饺子 过程
该方法的锁竞争(擀面杖只有一个)太激烈

方法2： 一个人负责擀皮，另外两个负责包饺子，例：A 负责擀皮，B 和 C 负责包饺子
这就是"生产者—消费者 模型"
A： 生产者 — (生产饺子皮)
B，C：消费者 — (消费饺子皮)
此处应还有一个"交易场所"：放饺子皮的东西，比如：大盘子~

阻塞队列就是生产者—消费者生产者和消费者彼此之间不直接通讯，而通过阻塞队列来进行通讯，所以生产者生产完数据之后不用等待消费者处理，直接扔给阻塞队列，消费者不找生产者要数据，而是直接从阻塞队列里取.

阻塞队列特点：

• 若入队列操作太快，队列满了，继续入队列，就会阻塞；一直阻塞到其他线程去消费队列了，才能继续入队列 (大盘子上很快就放满了饺子皮，生产者就要等待，一直等到消费者消费了一些数据(饺子皮)，即：交易场所上有了空位，才能继续生产)
• 若出队列操作太快，队列空了，继续出队列，也会阻塞；一直阻塞到其他线程生产了元素，才能继续出队列 (大盘子上很快就空了，饺子皮很快被"消费"完了，消费者就要等待，一直等到生产者生产了新的元素(饺子皮)，消费者才能继续消费)

代码实现阻塞队列

实现阻塞队列前，我们先思考普通队列是如何实现的？？
有两种方式：
1.基于链表；
2.基于数组 — 循环队列

队列的基本操作：
.
1.入队列
2.出队列
3.取队首元素
但在阻塞队列中，不支持取队首元素操作

以基于数组为例：
即，通过循环队列实现：

class BlockingQueue
    private int[] array = new int[10];
    // [head,tail)
    // 两者重合时，队列可能为空，也可能为满
    private volatile int head = 0;
    private volatile int tail = 0;
    private volatile int size = 0; // 有效元素个数

    /*
     * 阻塞队列 入队列
     * 为了和普通队列入队列区分，使用 put
     * */
    public void put(int value) throws InterruptedException 
        synchronized (this)
            // 若队列满了, 阻塞等待, 等下面的出队列操作调用 notify 方法后才可继续执行
            if(size == array.length)
                wait();
            
            array[tail] = value;
            tail++;
            if(tail == array.length)
                tail = 0;
            
            size++;
            // 唤醒 出队列操作
            notify();
        
    

    /*
     * 阻塞队列 出队列
     * 为了和普通队列出队列区分，使用 take
     * */
    public int take() throws InterruptedException 
        int ret = -1;
        synchronized (this)
            // 若队列为空, 阻塞等待, 等到有元素入队列再开始
            if(size == 0)
                wait();
            
            ret = array[head];
            head++;
            if(head == array.length)
                head = 0;
            
            size--;
            // 唤醒 入队列操作
            notify();
        
        return ret;
    

代码解析：

上述两个 wait( ) 是一定不可能被同时调用的！！

• 入队列操作的 wait( )
  当队列已满时，即：size == array.length；若有线程调用 put 方法，就让其执行 wait 方法，使该线程阻塞等待，直到有其他线程调用 take 方法，取出元素后，调用 notify 方法将刚才调用 put 方法产生阻塞的线程唤醒，接着继续执行 put 后续的操作

• 出队列操作的 wait( )
  当队列为空时，即：size == 0；若有线程调用 take 方法，就让其执行 wait 方法，使该线程阻塞，直到有其他线程调用 put 方法，插入元素后，调用 notify 方法将刚才调用 take 方法产生阻塞的线程唤醒，接着继续执行 take 后续的操作

测试代码：

创建两个线程，分别模拟 生产者 和 消费者

1. 消费的快，生产的慢 —— 预期看到：消费者线程会阻塞等待，有生产元素后消费者才能消费
2. 消费的慢，生产的快 —— 预期看到:：生产者线程会阻塞等待，消费者消费元素后，生产者才能继续生产

以第 2 种为例：

public static void main(String[] args) 
    BlockingQueue blockingQueue = new BlockingQueue();
	// 创建两个线程，分别模拟 生产者 和 消费者
    Thread producer = new Thread()

        @Override
        public void run()
            for (int i = 0; i < 10000; i++) 
                try 
                    blockingQueue.put(i);
                    System.out.println("生产元素: " + i);
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                
            
        
    ;
    producer.start();

    Thread consumer = new Thread()

        @Override
        public void run()
            while (true)
                try 
                    int ret = blockingQueue.take();
                    System.out.println("消费元素: " + ret);
                    Thread.sleep(500);
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                
            
        
    ;
    consumer.start();

截取部分输出结果：

假设把上述代码中的 notify( ) 改成 notifyAll( )，此时会发生什么？？

假设现在有三个线程，其中一个线程生产，两个线程消费，且消费速度快于生产速度

所以，两个消费者线程都触发了 wait 操作，也就是都发生了阻塞；当我们调用 notifyAll( ) ，会将上述两个线程都唤醒，然后这两个线程都去尝试重新竞争锁
假设：
消费者1，先获取到锁，于是执行出队列操作(执行完毕释放锁)
消费者2，后获取到锁，于是也会执行后续的出队列操作，但是刚才生产者生产的一个元素，已经被消费者1线程 给取走了，即，当前实际是一个空的队列，若强行执行出队列操作，就会出现逻辑上的错误！！

改正方法：
将 wait( ) 方法包裹的 if 改为 while

// 入队列
while (size == array.length)
	wait();


// 出队列
while (size == array.length)
	wait();

此时两个消费者线程尝试竞争锁
消费者1，先获取到锁，wait( ) 就返回了，再次执行 while 中的条件(由于当前生产者线程生产了一个元素，size 不为0 )，循环退出，之后，消费者1 就可以执行后续出队列操作，执行完毕后，释放锁
消费者2，后获取到锁，wait( ) 返回，再次执行 while 中的条件(由于刚才的消费者1 已经把生产的元素取走了，size 又是 0)，循环继续执行，又一次调用 wait( )，只能继续等…