深入理解Java线程编程中的阻塞队列容器
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。这两个附加的操作是在队列为空时,获取元素的线程会等待队列变为非空。当队列满时,存储元素的线程会等待队列可用。阻塞队列常用于生产者和消费者的场景,生产者是往队列里添加元素的线程,消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器,而消费者也只从容器里拿元素。
阻塞队列提供了四种处理方法:
抛出异常是指当阻塞队列满时候,再往队列里插入元素,会抛出IllegalStateException("Queue full")异常。当队列为空时,从队列里获取元素时会抛出NoSuchElementException异常 。
返回特殊值插入方法会返回是否成功,成功则返回true。移除方法,则是从队列里拿出一个元素,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,直到拿到数据,或者响应中断退出。当队列空时,消费者线程试图从队列里take元素,队列也会阻塞消费者线程,直到队列可用。
超时退出当阻塞队列满时,队列会阻塞生产者线程一段时间,如果超过一定的时间,生产者线程就会退出。
2. 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);
访问者的公平性是使用可重入锁实现的,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(); }
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parator来指定元素的排序规则。元素按照升序排列。
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。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pareTo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 pareTo(Delayed other) { if (other == this) // pare 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); }
3.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。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。
4.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,传递给一个线程使用,SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。
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,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一个元素。插入方法add等同于addLast,移除方法remove等效于removeFirst。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渡膨胀。双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。
5.阻塞队列的实现原理
本文以ArrayBlockingQueue为例,其他阻塞队列实现原理可能和ArrayBlockingQueue有一些差别,大体思路应该类似,有兴趣的朋友可自行查看其他阻塞队列的实现源码。
看一下ArrayBlockingQueue类中的几个成员变量
public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E> implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L; / The queued items / private final E[] items; / items index for next take, poll or remove / private int takeIndex; / items index for next put, offer, or add. / private int putIndex; / Number of items in the queue / private int count; / Concurrency control uses the classic two-condition algorithm found in any textbook. / / Main lock guarding all aess / private final ReentrantLock lock; / Condition for waiting takes / private final Condition notEmpty; / Condition for waiting puts / private final Condition notFull; }
可以看出,ArrayBlockingQueue中用来存储元素的实际上是一个数组,takeIndex和putIndex分别表示队首元素和队尾元素的下标,count表示队列中元素的个数。
lock是一个可重入锁,notEmpty和notFull是等待条件。
狼蚁网站SEO优化看一下ArrayBlockingQueue的构造器,构造器有三个重载版本
public ArrayBlockingQueue(int capacity) { } public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) { } public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, Collection<? extends E> c) { }
第一个构造器只有一个参数用来指定容量,第二个构造器可以指定容量和公平性,第三个构造器可以指定容量、公平性以及用一个集合进行初始化。
然后看它的两个关键方法的实现put()和take()
public void put(E e) throws InterruptedException { if (e == null) throw new NullPointerException(); final E[] items = this.items; final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { try { while (count == items.length) notFull.await(); } catch (InterruptedException ie) { notFull.signal(); // propagate to non-interrupted thread throw ie; } insert(e); } finally { lock.unlock(); } }
从put方法的实现可以看出,它先获取了锁,并且获取的是可中断锁,然后判断当前元素个数是否等于数组的长度,如果相等,则调用notFull.await()进行等待,如果捕获到中断异常,则唤醒线程并抛出异常。
当被其他线程唤醒时,通过insert(e)方法插入元素,解锁。
我们看一下insert方法的实现
private void insert(E x) { items[putIndex] = x; putIndex = inc(putIndex); ++count; notEmpty.signal(); }
它是一个private方法,插入成功后,通过notEmpty唤醒正在等待取元素的线程。
狼蚁网站SEO优化是take()方法的实现
public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { try { while (count == 0) notEmpty.await(); } catch (InterruptedException ie) { notEmpty.signal(); // propagate to non-interrupted thread throw ie; } E x = extract(); return x; } finally { lock.unlock(); } }
跟put方法实现很类似,只不过put方法等待的是notFull信号,而take方法等待的是notEmpty信号。在take方法中,如果可以取元素,则通过extract方法取得元素,狼蚁网站SEO优化是extract方法的实现
private E extract() { final E[] items = this.items; E x = items[takeIndex]; items[takeIndex] = null; takeIndex = inc(takeIndex); --count; notFull.signal(); return x; }
跟insert方法也很类似。
其实从这里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。
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