本文先讲述一下 java.util.concurrent 包下提供主要的几种阻塞队列, 然后分析了阻塞队列和非阻塞队列的中的各个方法, 接着分析了阻塞队列的实现原理, 最后给出了一个实际例子和几个使用场景.
一. 几种主要的阻塞队列
二. 阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法
三. 阻塞队列的实现原理
四. 示例和使用场景
若有不正之处请多多谅解, 并欢迎批评指正.
一. 几种主要的阻塞队列
自从 Java 1.5 之后, 在 java.util.concurrent 包下提供了若干个阻塞队列, 主要有以下几个:
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.
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. 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.
二. 阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法
1. 非阻塞队列中的几个主要方法:
add(E e): 将元素 e 插入到队列末尾, 如果插入成功, 则返回 true; 如果插入失败(即队列已满), 则会抛出异常;
remove(): 移除队首元素, 若移除成功, 则返回 true; 如果移除失败(队列为空), 则会抛出异常;
offer(E e): 将元素 e 插入到队列末尾, 如果插入成功, 则返回 true; 如果插入失败(即队列已满), 则返回 false;
poll(): 移除并获取队首元素, 若成功, 则返回队首元素; 否则返回 null;
peek(): 获取队首元素, 若成功, 则返回队首元素; 否则返回 null
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.
2. 阻塞队列中的几个主要方法:
阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法, 上面列举的 5 个方法在阻塞队列中都存在, 但是要注意这 5 个方法在阻塞队列中都进行了同步措施.
除此之外, 阻塞队列提供了另外 4 个非常有用的方法:
- put(E e)
- take()
- offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)
- poll(long timeout, TimeUnit unit)
这四个方法的理解:
put 方法用来向队尾存入元素, 如果队列满, 则等待;
take 方法用来从队首取元素, 如果队列为空, 则等待;
offer 方法用来向队尾存入元素, 如果队列满, 则等待一定的时间, 当时间期限达到时, 如果还没有插入成功, 则返回 false; 否则返回 true;
poll 方法用来从队首取元素, 如果队列空, 则等待一定的时间, 当时间期限达到时, 如果取到, 则返回 null; 否则返回取得的元素;
三. 阻塞队列的实现原理
前面谈到了非阻塞队列和阻塞队列中常用的方法, 下面来探讨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, 但是大体思路应该类似, 有兴趣的朋友可自行查看其他阻塞队列的实现源码.
首先看一下 ArrayBlockingQueue 类中的几个成员变量:
- public class ArrayBlockingQueue extends AbstractQueue implements BlockingQueue,
- 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 access */
- 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.
下面看一下 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 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, 公平性以及用另外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, 最后解锁.
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.
下面是 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, 下面是 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.
四. 示例和使用场景
下面先使用 Object.wait()和 Object.notify(), 非阻塞队列实现生产者 - 消费者模式:
- public class Test {
- private int queueSize = 10;
- private PriorityQueue queue = new PriorityQueue(queueSize);
- public static void main(String[] args) {
- Test test = new Test();
- Producer producer = test.new Producer();
- Consumer consumer = test.new Consumer();
- producer.start();
- consumer.start();
- }
- class Consumer extends Thread {@Override public void run() {
- consume();
- }
- private void consume() {
- while (true) {
- synchronized(queue) {
- while (queue.size() == 0) {
- try {
- System.out.println("队列空, 等待数据");
- queue.wait();
- } catch(InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- queue.notify();
- }
- }
- queue.poll(); // 每次移走队首元素
- queue.notify();
- System.out.println("从队列取走一个元素, 队列剩余" + queue.size() + "个元素");
- }
- }
- }
- }
- class Producer extends Thread {@Override public void run() {
- produce();
- }
- private void produce() {
- while (true) {
- synchronized(queue) {
- while (queue.size() == queueSize) {
- try {
- System.out.println("队列满, 等待有空余空间");
- queue.wait();
- } catch(InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- queue.notify();
- }
- }
- queue.offer(1); // 每次插入一个元素
- queue.notify();
- System.out.println("向队列取中插入一个元素, 队列剩余空间:" + (queueSize - queue.size()));
- }
- }
- }
- }
- }
这个是经典的生产者 - 消费者模式, 通过阻塞队列和 Object.wait()和 Object.notify()实现, wait()和 notify()主要用来实现线程间通信.
具体的线程间通信方式 (wait 和 notify 的使用) 在后续问章中会讲述到.
下面是使用阻塞队列实现的生产者 - 消费者模式:
- public class Test {
- private int queueSize = 10;
- private ArrayBlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(queueSize);
- public static void main(String[] args) {
- Test test = new Test();
- Producer producer = test.new Producer();
- Consumer consumer = test.new Consumer();
- producer.start();
- consumer.start();
- }
- class Consumer extends Thread {@Override public void run() {
- consume();
- }
- private void consume() {
- while (true) {
- try {
- queue.take();
- System.out.println("从队列取走一个元素, 队列剩余" + queue.size() + "个元素");
- } catch(InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }
- }
- class Producer extends Thread {@Override public void run() {
- produce();
- }
- private void produce() {
- while (true) {
- try {
- queue.put(1);
- System.out.println("向队列取中插入一个元素, 队列剩余空间:" + (queueSize - queue.size()));
- } catch(InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }
- }
- }
有没有发现, 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
来源: http://www.jianshu.com/p/ed455214680c