多线程编程学习六(Java 中的阻塞队列).

介绍


阻塞队列（BlockingQueue）是指当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满；当队列空时，队列会阻塞获得元素的线程，直到队列变非空。阻塞队列就是生产者用来存放元素、消费者用来获取元素的容器。

当线程 插入/获取 动作由于队列 满/空 阻塞后，队列也提供了一些机制去处理，或抛出异常，或返回特殊值，或者线程一直等待...

方法/处理方式 抛出异常 返回特殊值 一直阻塞 超时退出
插入方法 add(e) offer(e) put(e) offer(e, timeout, unit)
移除方法 remove(o) poll() take() poll(timeout, unit)
检查方法 element() peek() — 不移除元素 不可用 不可用
tips： 如果是无界阻塞队列，则 put 方法永远不会被阻塞；offer 方法始终返回 true。

Java 中的阻塞队列：



ArrayBlockingQueue

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，默认情况下不保证线程公平的访问。

通过可重入的独占锁 ReentrantLock 来控制并发，Condition 来实现阻塞。
public class ArrayBlockingQueueTest { /** * 1. 由于是有界阻塞队列，需要设置初始大小 * 2.
默认不保证阻塞线程的公平访问，可设置公平性 */ private static ArrayBlockingQueue<String> QUEUE = new
ArrayBlockingQueue<>(2, true); public static void main(String[] args) throws
InterruptedException { Thread put = new Thread(() -> { // 3. 尝试插入元素 try {
QUEUE.put("java"); QUEUE.put("javaScript"); // 4. 元素已满，会阻塞线程 QUEUE.put("c++");
} catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }); put.start();
Thread take = new Thread(() -> { try { // 5. 获取一个元素
System.out.println(QUEUE.take()); } catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace(); } }); take.start(); // 6 javaScript、c++
System.out.println(QUEUE.take()); System.out.println(QUEUE.take()); } }
LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue 是一个用单向链表实现的有界阻塞队列。此队列的默认最大长度为
Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。Executors.newFixedThreadPool()
就使用了这个队列。

和 ArrayBlockingQueue 一样，采用 ReentrantLock 来控制并发，不同的是它使用了两个独占锁来控制消费和生产，通过
takeLock 和 putLock
两个锁来控制生产和消费，互不干扰，只要队列未满，生产线程可以一直生产；只要队列不空，消费线程可以一直消费，不会相互因为独占锁而阻塞。

tips：因为使用了双锁，避免并发计算不准确，使用了一个 AtomicInteger 变量统计元素总量。

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque
是一个由双向链表结构组成的有界阻塞队列，可以从队列的两端插入和移出元素。它实现了BlockingDeque接口，多了addFirst、addLast、offerFirst、offerLast、peekFirst和peekLast等方法，以
First 单词结尾的方法，表示插入、获取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最后一个元素。

LinkedBlockingDeque 的 Node 实现多了指向前一个节点的变量 prev，以此实现双向队列。并发控制上和
ArrayBlockingQueue 类似，采用单个 ReentrantLock 来控制并发。因为双端队列头尾都可以消费和生产，所以使用了一个共享锁。

双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。
public class LinkedBlockingDequeTest { private static
LinkedBlockingDeque<String> DEQUE = new LinkedBlockingDeque<>(2); public static
void main(String[] args) { DEQUE.addFirst("java"); DEQUE.addFirst("c++"); //
java System.out.println(DEQUE.peekLast()); // java
System.out.println(DEQUE.pollLast()); DEQUE.addLast("php"); // c++
System.out.println(DEQUE.pollFirst()); } }
tips： take() 方法调用的是 takeFirst()，使用时候需注意。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue
是一个底层由数组实现的无界阻塞队列，并带有排序功能。由于是无界队列，所以插入永远不会被阻塞。默认情况下元素采取自然顺序升序排列。也可以自定义类实现
compareTo()方法来指定元素排序规则，或者初始化 PriorityBlockingQueue 时，指定构造参数 Comparator 来对元素进行排序。

底层同样采用 ReentrantLock 来控制并发，由于只有获取会阻塞，所以只采用一个Condition（只通知消费）来实现。
public class PriorityBlockingQueueTest { private static
PriorityBlockingQueue<String> QUEUE = new PriorityBlockingQueue<>(); public
static void main(String[] args) { QUEUE.add("java"); QUEUE.add("javaScript");
QUEUE.add("c++"); QUEUE.add("python"); QUEUE.add("php"); Iterator<String> it =
QUEUE.iterator(); while (it.hasNext()) { // c++ javaScript java python php //
同优先级不保证排序顺序 System.out.print(it.next() + " "); } } }
DelayQueue

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（Delayed 接口的设计可以参考 ScheduledFutureTask
类），元素按延迟优先级排序，延迟时间短的排在前面，只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。

DelayQueue 中的 PriorityQueue 会对队列中的任务进行排序。排序时，time 小的排在前面（时间早的任务将被先执行）。如果两个任务的
time 相同，就比较 sequenceNumber，sequenceNumber
小的排在前面（也就是说，如果两个任务的执行时间相同，那么先提交的任务将被先执行）。

和 PriorityBlockingQueue 相似，底层也是数组，采用一个 ReentrantLock 来控制并发。

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，比如
TimerQueue 就是使用 DelayQueue 实现的。 public class DelayElement implements Delayed,
Runnable { private static final AtomicLong SEQUENCER = new AtomicLong(); /** *
标识元素先后顺序 */ private final long sequenceNumber; /** * 延迟时间，单位纳秒 */ private long
time; public DelayElement(long time) { this.time = System.nanoTime() + time;
this.sequenceNumber = SEQUENCER.getAndIncrement(); } @Override public long
getDelay(TimeUnit unit) { return unit.convert(time - System.nanoTime(),
NANOSECONDS); } @Override public int compareTo(Delayed other) { // compare zero
if same object if (other == this) { return 0; } if (other instanceof
DelayElement) { DelayElement x = (DelayElement) 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
diff = getDelay(NANOSECONDS) - other.getDelay(NANOSECONDS); return (diff < 0) ?
-1 : (diff > 0) ? 1 : 0; } @Override public void run() {
System.out.println("sequenceNumber" + sequenceNumber); } @Override public
String toString() { return "DelayElement{" + "sequenceNumber=" + sequenceNumber
+ ", time=" + time + '}'; } } public class DelayQueueTest { private static
DelayQueue<DelayElement> QUEUE = new DelayQueue<>(); public static void
main(String[] args) { // 1. 添加 10 个参数 for (int i = 1; i < 10; i++) { // 2. 5
秒内随机延迟 int nextInt = new Random().nextInt(5); long convert =
TimeUnit.NANOSECONDS.convert(nextInt, TimeUnit.SECONDS); QUEUE.offer(new
DelayElement(convert)); } // 3. 查询元素排序 —— 延迟短的排在前面 Iterator<DelayElement>
iterator = QUEUE.iterator(); while (iterator.hasNext()) {
System.out.println(iterator.next()); } // 4. 可观察到元素延迟输出 while
(!QUEUE.isEmpty()) { Thread thread = new Thread(QUEUE.poll()); thread.start();
} } }
LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一个由链表结构组成的无界阻塞TransferQueue队列。

并发控制上采用了大量的 CAS 操作，没有使用锁。

相对于其他阻塞队列，LinkedTransferQueue 多了 tryTransfer 和 transfer 方法。

* transfer ： Transfers the element to a consumer, waiting if necessary to do
so. 存入的元素必须等到有消费者消费才返回。
* tryTransfer：Transfers the element to a waiting consumer immediately, if
possible. 如果有消费者正在等待消费元素，则把传入的元素传给消费者。否则立即返回 false，不用等到消费。
SynchronousQueue

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，否则继续 put
操作会被阻塞。Executors.newCachedThreadPool 就使用了这个队列。

SynchronousQueue 默认情况下线程采用非公平性策略访问队列，未使用锁，全部通过 CAS 操作来实现并发，吞吐量非常高，高于
LinkedBlockingQueue 和
ArrayBlockingQueue，非常适合用来处理一些高效的传递性场景。Executors.newCachedThreadPool() 就使用了
SynchronousQueue 进行任务传递。
public class SynchronousQueueTest { private static class
SynchronousQueueProducer implements Runnable { private BlockingQueue<String>
blockingQueue; private SynchronousQueueProducer(BlockingQueue<String> queue) {
this.blockingQueue = queue; } @Override public void run() { while (true) { try
{ String data = UUID.randomUUID().toString();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Put: " + data);
blockingQueue.put(data); Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace(); } } } } private static class SynchronousQueueConsumer
implements Runnable { private BlockingQueue<String> blockingQueue; private
SynchronousQueueConsumer(BlockingQueue<String> queue) { this.blockingQueue =
queue; } @Override public void run() { while (true) { try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " take(): " +
blockingQueue.take()); Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace(); } } } } public static void main(String[] args) { final
BlockingQueue<String> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>();
SynchronousQueueProducer queueProducer = new
SynchronousQueueProducer(synchronousQueue); new Thread(queueProducer, "producer
- 1").start(); SynchronousQueueConsumer queueConsumer1 = new
SynchronousQueueConsumer(synchronousQueue); new Thread(queueConsumer1,
"consumer — 1").start(); SynchronousQueueConsumer queueConsumer2 = new
SynchronousQueueConsumer(synchronousQueue); new Thread(queueConsumer2,
"consumer — 2").start(); } }
 
 

* 参考书籍：《Java 并发编程的艺术》
* 参考博文：https://www.cnblogs.com/konck/p/9473677.html
<https://www.cnblogs.com/konck/p/9473677.html>

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