java多线程-BlockingQueue

Posted 2020-06-17

• BlockingQueue简介

　　ArrayBlockingQueue：基于数组实现的一个阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须制定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间最长的队列最优先能够访问队列。

　　LinkedBlockingQueue：基于链表实现的一个阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE，每次插入后都将动态地创建链接节点。

　　PriorityBlockingQueue：以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue却不是，它会按照元素的优先级对元素进行排序，按照优先级顺序出队，每次出队的元素都是优先级最高的元素，依据对象的自然排序顺序或者是构造函数所带的Comparator决定的顺序。注意，此阻塞队列为无界阻塞队列，即容量没有上限（通过源码就可以知道，它没有容器满的信号标志），前面2种都是有界队列。

　　DelayQueue：基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，DelayQueue中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻塞。

　　SynchronousQueue：特殊的BlockingQueue，对其的操作必须是放和取交替完成的。其中每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作 ，反之亦然。

• BlockingQueue内容

　　BlockingQueue主要方法：

	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

　　对于非阻塞队列，一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法，不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意，非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。

• BlockingQueue实现原理

　　以ArrayBlockingQueue为例，查看其源代码，其中主要包含以下对象：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;

    /** 数组对象，用于放置对象 */
    final Object[] items;

    /** put, offer, or add方法放入数组的索引 */
    int putIndex;

    /**  take, poll, peek or remove方法取出数据的数组索引 */
    int takeIndex;
    /** queue队列的总数 */
    int count;

    /**可重入锁，控制并发*/
    final ReentrantLock lock;
    /** 非空信号量，可以取数*/
    private final Condition notEmpty;
    /** 非满信号量，可以放数 */
    private final Condition notFull;
}

　　下面主要介绍下put()和take()方法，来观察其同步的实现：

 1 public void put(E e) throws InterruptedException {
 2         checkNotNull(e);
 3         final ReentrantLock lock = this.lock;
 4         lock.lockInterruptibly();
 5         try {
 6             while (count == items.length)
 7                 notFull.await();
 8             insert(e);
 9         } finally {
10             lock.unlock();
11         }
12 }

 1 public E take() throws InterruptedException {
 2         final ReentrantLock lock = this.lock;
 3         lock.lockInterruptibly();
 4         try {
 5             while (count == 0)
 6                 notEmpty.await();
 7             return extract();
 8         } finally {
 9             lock.unlock();
10         }
11     }

　　大家应该明白了阻塞队列的实现原理，事实它和我们用Object.wait()、Object.notify()和非阻塞队列实现生产者-消费者的思路类似，只不过它把这些工作一起集成到了阻塞队列中实现。并且在前面Condition中我们也模拟实现了一个阻塞队列，实现与其大同小异。

• BlockingQueue应用

　　1：启动两个线程实现互斥等待：

 1 public class BlockingQueueTest {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         final BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(3);
 4         for (int i = 0; i < 2; i++) {
 5             new Thread(new Runnable() {
 6                 @Override
 7                 public void run() {
 8                     while (true) {
 9                         System.out.println("Thread "+Thread.currentThread().getName()+"正在准备放入数据");
10                         try {
11                             //模拟线程的放数速度
12                             Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
13                         } catch (InterruptedException e) {
14                             // TODO Auto-generated catch block
15                             e.printStackTrace();
16                         }
17                         try {
18                             queue.put(1);
19                         } catch (InterruptedException e) {
20                             // TODO Auto-generated catch block
21                             e.printStackTrace();
22                         }
23                         System.out.println("Thread "+Thread.currentThread().getName()+"放入数据,此时队列中的数据为："+queue.size());
24                     }
25                 }
26             }).start();
27             new Thread(new Runnable() {
28                 @Override
29                 public void run() {
30                     while (true) {
31                         System.out.println("Thread "+Thread.currentThread().getName()+"正在取得数据");
32                         try {
33                             //模拟线程的去数速度
34                             Thread.sleep(100);
35                         } catch (InterruptedException e) {
36                             // TODO Auto-generated catch block
37                             e.printStackTrace();
38                         }
39                         try {
40                             queue.take();
41                         } catch (InterruptedException e) {
42                             // TODO Auto-generated catch block
43                             e.printStackTrace();
44                         }
45                         System.out.println("Thread "+Thread.currentThread().getName()+"取得数据,此时队列中的数据为："+queue.size());
46                     }
47                 }
48             }).start();
49         }
50         
51     }
52 }

　　2：前面介绍传统线程通信中，主线程和子线程交替运行，现在以阻塞队列来实现。

 1 public class BlockingQueueCommunication {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         final Business business = new Business();
 4         new Thread(new Runnable() {
 5             
 6             @Override
 7             public void run() {
 8                 // TODO Auto-generated method stub
 9                 for (int i = 0; i < 50; i++) {
10                     try {
11                         business.sub(i);
12                     } catch (InterruptedException e) {
13                         // TODO Auto-generated catch block
14                         e.printStackTrace();
15                     }
16                 }
17             }
18         }).start();
19         for (int i = 0; i < 50; i++) {
20             try {
21                 business.main(i);
22             } catch (InterruptedException e) {
23                 // TODO Auto-generated catch block
24                 e.printStackTrace();
25             }
26         }
27     }
28     static class Business{
29         BlockingQueue<Integer> queue1 = new ArrayBlockingQueue<Integer>(1);
30         BlockingQueue<Integer> queue2 = new ArrayBlockingQueue<Integer>(1);
31         {
32             try {
33                 queue2.put(1);//保证queue2阻塞
34             } catch (InterruptedException e) {
35                 // TODO Auto-generated catch block
36                 e.printStackTrace();
37             }
38         }
39         
40         public void main(int i) throws InterruptedException{
41             queue1.put(1);//阻塞queue1
42             for (int j = 0; j < 100; j++) {
43                 System.out.println("main thread is looping of "+j +" in " + i);
44             }
45             queue2.take();//唤醒queue2
46         }
47         public void sub(int i) throws InterruptedException{
48             queue2.put(1);//阻塞queue2
49             for (int j = 0; j < 10; j++) {
50                 System.out.println("sub thread is looping of "+j +" in " + i);
51             }
52             queue1.take();//唤醒queue1
53         }
54     }
55 }

　　BlockingQueue实现了线程同步，不可在方法中再次加入同步限制，否则会出现死锁。

　　3：在API中有一个阻塞对象实现生产者和消费者的例子

 1 class Producer implements Runnable {
 2    private final BlockingQueue queue;
 3    Producer(BlockingQueue q) { queue = q; }
 4    public void run() {
 5      try {
 6        while(true) { queue.put(produce()); }
 7      } catch (InterruptedException ex) { ... handle ...}
 8    }
 9    Object produce() { ... }
10  }
11 
12  class Consumer implements Runnable {
13    private final BlockingQueue queue;
14    Consumer(BlockingQueue q) { queue = q; }
15    public void run() {
16      try {
17        while(true) { consume(queue.take()); }
18      } catch (InterruptedException ex) { ... handle ...}
19    }
20    void consume(Object x) { ... }
21  }
22 
23  class Setup {
24    void main() {
25      BlockingQueue q = new SomeQueueImplementation();
26      Producer p = new Producer(q);
27      Consumer c1 = new Consumer(q);
28      Consumer c2 = new Consumer(q);
29      new Thread(p).start();
30      new Thread(c1).start();
31      new Thread(c2).start();
32    }
33  }

　　使用阻塞队列代码要简单得多，不需要再单独考虑同步和线程间通信的问题。

　　在并发编程中，一般推荐使用阻塞队列，这样实现可以尽量地避免程序出现意外的错误。

　　阻塞队列使用最经典的场景就是socket客户端数据的读取和解析，读取数据的线程不断将数据放入队列，然后解析线程不断从队列取数据解析。还有其他类似的场景，只要符合生产者-消费者模型的都可以使用阻塞队列。

　　参考资料：http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3932906.html

　　　　　　　javaAPI