阻塞队列（BlockingQueue）

Posted 2020-11-08 JimKing

阻塞队列是 java.util.concurrent 包提供的一个类，该类提供了多线程中通过队列实现安全高效的数据处理的功能。

所谓阻塞队列，是在普通队列基础上实现了阻塞线程的功能：

• 　　队列为空时，获取元素的线程阻塞，直到队列变为非空。
• 　　当队列满时，存储元素的线程阻塞，直到队列可用（非满）。

以下是阻塞队列实现阻塞线程的两种常用场景：

 

 

阻塞队列提供的方法:

　　插入方法：

　　　　1. boolean add(E e)：队列没有满，则插入数据并返回true；队列满时，抛出异常 java.lang.IllegalStateException: Queue full。

　　　　2. boolean offer(E e)：队列没有满，则插入数据并返回true；队列满时，返回false。

　　　　3. void put(E e)：队列没有满，则插入数据；队列满时，阻塞调用此方法线程，直到队列有空闲空间时此线程进入就绪状态。

　　　　4. boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：队列没有满，插入数据并返回true；队列满时，阻塞调用此方法线程，若指定等待的时间内还不能往队列中插入数据，返回false。

　　移除方法：

　　　　1. E remove()：队列非空，则以FIFO原则移除数据，并返回该数据的值；队列为空，抛出异常 java.util.NoSuchElementException。

　　　　2. E poll()：队列非空，移除数据，并返回该数据的值；队列为空，返回null。

　　　　3. E take()：队列非空，移除数据，并返回该数据的值；队列为空，阻塞调用此方法线程，直到队列为非空时此线程进入就绪状态。

　　　　4. E poll(long timeout, TimeUnit unit)：队列非空，移除数据，并返回该数据的值；队列为空，阻塞调用此方法线程，若指定等待的时间内队列都没有数据可取，返回null。

　　检查方法：

　　　　1. E element()：队列非空，则返回队首元素；队列为空，抛出异常 java.util.NoSuchElementException。

　　　　2. E peek()：队列非空，则返回队首元素；队列为空，返回null。

　　获取所有成员的方法：

　　　　1. int drainTo(Collection<? super E> c)：一次性从BlockingQueue获取所有可用的数据对象存入集合中。

　　　　2. int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements)：从BlockingQueue获取指定数据的个数的对象存入集合中。

 

JDK提供的阻塞队列：

　　1. ArrayBlockingQueue ：一个由数组结构实现的有界阻塞队列。

　　　　ArrayBlockingQueue内部，维护了一个定长数组。此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。默认情况下对象内部采用非公平锁，所谓公平锁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。

 

　　2. LinkedBlockingQueue ：一个由链表结构实现的有界阻塞队列。

　　　　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。按照先进先出的原则对元素进行排序。

 

　　3. DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。

　　　　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。使用场景：常见的例子比如使用一个DelayQueue来管理一个超时未响应的连接队列。

 

　　4. PriorityBlockingQueue ：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。

　　　　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。

 

　　5. SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。

　　　　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。

 

　　6. LinkedTransferQueue：一个由链表结构实现的无界阻塞队列。

　　　　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。

 

　　7. LinkedBlockingDeque：一个由链表结构实现的双向阻塞队列。

　　　　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。

 

阻塞队列常用场景是 “生产者—消费者” 模式，以下是一个生产者不断生产随机数据存入队列，消费者不断获取的实例：

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.*;

public class BlockingQueueTest {

    /**
     * 生产者
     */
    public static class Producer implements Runnable {

        /**
         * 阻塞队列
         */
        private BlockingQueue<Integer> blockingQueue;

        /**
         * 判断是否循环
         */
        private boolean isRunning = true;

        /**
         * 随机数据范围
         */
        private static final int RANGE_FOR_DATA = 1000;

        private Random random = new Random();

        public Producer(BlockingQueue<Integer> blockingQueue) {
            this.blockingQueue = blockingQueue;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (isRunning) {
                try {
                    /** 生产出随机数 */
                    int data = random.nextInt(RANGE_FOR_DATA);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 生产数据:" + data);
                    /** 将随机数放入阻塞队列 */
                    blockingQueue.put(data);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 插入队列:" + data);
                    /** 进行随机时间休眠 */
                    Thread.sleep(random.nextInt(1000));
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println("程序结束啦，我不用再等待阻塞队列有空余位置了！");
                }
            }
        }

        /**
         * 终止生产线程
         */
        public void shutDown() {
            isRunning = false;
        }
    }

    /**
     * 消费者
     */
    public static class Consumer implements Runnable {

        /**
         * 阻塞队列
         */
        private BlockingQueue<Integer> blockingQueue;

        /**
         * 判断是否循环
         */
        private boolean isRunning = true;

        /**
         * 随机数据范围
         */
        private Random random = new Random();

        public Consumer(BlockingQueue<Integer> blockingQueue) {
            this.blockingQueue = blockingQueue;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (isRunning) {
                try {
                    /** 从阻塞队列中获取随机数 */
                    int data = (int) blockingQueue.take();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 消费数据:" + data);
                    /** 进行随机时间休眠 */
                    Thread.sleep(random.nextInt(1000));
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println("程序结束啦，我不用再等待阻塞队列非空了！");
                }
            }
        }

        /**
         * 终止消费线程
         */
        public void shutDown() {
            isRunning = false;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        /** 创建容量大小为5的阻塞队列 */
        BlockingQueue<Integer> blockingQueue = new LinkedBlockingQueue<>(5);
        /** 创建连接池 */
        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
        /** 创建生产线程，消费线程各5个 */
        Producer[] producers = new Producer[5];
        Consumer[] consumers = new Consumer[5];
        /** 实例化生产线程与消费线程并且执行线程 */
        for (int i = 0; i < producers.length; i++) {
            producers[i] = new Producer(blockingQueue);
            consumers[i] = new Consumer(blockingQueue);
            pool.execute(producers[i]);
            pool.execute(consumers[i]);
        }
        try {
            /** 等待5秒后进行手动中断 */
            Thread.sleep(5 * 1000);
            for (int i = 0; i < producers.length; i++) {
                producers[i].shutDown();
                consumers[i].shutDown();
            }
            /** 其实提不提醒线程关闭都一个样了，阻塞的线程，不会因为手动中断而中断的 */
            pool.shutdown();
            /** 等待2秒，若还有线程没有关闭则强行中断所有等待线程 */
            if (!pool.awaitTermination(2 * 1000, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                /** 超时的时候向线程池中所有的线程发出中断 */
                pool.shutdownNow();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

 

以下是对火车售票系统的模拟，在火车票发售的短短几分钟会有众多的人进行下单，这就是一个处理并发的问题。我们可以将用户请求存入阻塞队列，然后再对这些请求一一处理。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.*;

public class TrainTicketingSystem {
    /**
     * 用户线程数量，同时进行抢票
     */
    private static final int USER_THREAD_COUNT = 300;

    /**
     * 火车票数量
     */
    private static final int TICKET_COUNT = 500;

    /**
     * 用户抢票线程，将用户名放入阻塞队列等待系统处理。
     */
    public static class User implements Runnable {
        /**
         * 用户名
         */
        private String username;

        /**
         * 火车票
         */
        private Ticket ticket;

        private BlockingQueue<String> blockingQueue;

        private Random random = new Random();

        public User(String username, BlockingQueue<String> blockingQueue) {
            this.username = username;
            this.blockingQueue = blockingQueue;
        }

        public void setUsername(String username) {
            this.username = username;
        }

        public String getUsername() {
            return username;
        }

        public void setTicket(Ticket ticket) {
            this.ticket = ticket;
        }

        public Ticket getTicket() {
            return ticket;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                /** 在休眠1s以内后开始抢票 */
                Thread.sleep(random.nextInt(1000));
                System.out.println(username + "开始抢票");
                /** 将用户名放入阻塞队列 */
                blockingQueue.put(username);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    /**
     * 火车票,只是一个POJO
     */
    public static class Ticket {
        /**
         * 火车票编号
         */
        private String tid;

        /**
         * 用户名
         */
        private String username;

        public Ticket(String tid) {
            this.tid = tid;
        }

        public String getTid() {
            return tid;
        }

        public void setTid(String tid) {
            this.tid = tid;
        }

        public String getUsername() {
            return username;
        }

        public void setUsername(String username) {
            this.username = username;
        }
    }

    /**
     * 售票线程,取出阻塞队列中的用户名，将火车票卖给用户名对应的用户
     */
    public static class SellTicket implements Runnable {
        /**
         * 火车票组
         */
        private Ticket[] tickets;
        /**
         * 阻塞队列
         */
        private BlockingQueue<String> blockingQueue;

        public SellTicket(Ticket[] tickets, BlockingQueue<String> blockingQueue) {
            this.tickets = tickets;
            this.blockingQueue = blockingQueue;
        }

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < tickets.length; i++) {
                try {
                    String username = blockingQueue.take();
                    tickets[i].setUsername(username);
                    System.out.println(username + " 抢票成功，火车票编号:" + tickets[i].getTid());
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println("售票时间截止！");
                    break;
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        /** 存放用户线程的数组 */
        User[] users = new User[USER_THREAD_COUNT];
        /** 存放火车票的数组 */
        Ticket[] tickets = new Ticket[TICKET_COUNT];
        /** 链表存储结构的无界阻塞队列 */
        BlockingQueue<String> blockingQueue = new LinkedBlockingQueue<String>();
        /** 连接池 */
        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
        /** 创建火车票实例 */
        for (int i = 0; i < tickets.length; i++) {
            tickets[i] = new Ticket("#00000" + String.valueOf(i));
        }
        /** 创建并启动用户线程组中的线程 */
        for (int i = 0; i < users.length; i++) {
            users[i] = new User("user" + String.valueOf(i), blockingQueue);
            pool.execute(users[i]);
        }
        /** 创建并启动售卖火车票线程 */
        pool.execute(new SellTicket(tickets, blockingQueue));
        try {
            /** 使用集合将阻塞队列中的所有元素存入，统计抢票失败的人数 */
            Thread.sleep(4 * 1000);
            List<String> list = new ArrayList<String>();
            int count = blockingQueue.drainTo(list);
            System.out.println("************ 一共有：" + count + "个人没有抢到票 ************");
            list.forEach((s) -> System.out.println("*** 用户" + s + "抢票失败 ***"));

            /** 中断所有运行的线程,由于是无界阻塞队列，就是中断售票线程，意思是停止售票 */
            pool.shutdown();
            if (!pool.awaitTermination(3 * 1000, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                /** 超时的时候向线程池中所有的线程发出中断 */
                pool.shutdownNow();
            }
            try {
                Thread.sleep(4 * 1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            /** 将火车票传给对应的用户 */
            for (int i = 0; i < tickets.length; i++) {
                /** 若是淡季，火车票不会被卖完，火车票对应的用户名就为空 */
                if (tickets[i].getUsername() != null) {
                    int id = Integer.parseInt(tickets[i].getUsername().substring(4));
                    users[id].setTicket(tickets[i]);
                }
            }
            /** 将用户信息依次输出 */
            System.out.println("************ 以下是所有用户信息 ************");
            for (int i = 0; i < users.length; i++) {
                /** 若是旺季，很多用户没有抢到票ticket就为空 */
                if (users[i].getTicket() != null) {
                    System.out.println("*** 火车票编号：" + users[i].getTicket().getTid() + " ***");
                    System.out.println("*** 用户名：    " + users[i].getTicket().getUsername() + " ***");
                } else {
                    System.out.println("*** 火车票编号：" + "#####" + " ***");
                    System.out.println("*** 用户名：    " + users[i].getUsername() + " ***");
                }
            }
        }
    }
}