本文摘自《Java并发编程的艺术-方腾飞》
本节将介绍什么是阻塞队列,以及Java中阻塞队列的4种四种处理方式,并介绍Java7(Java8相同)中提供的7种阻塞队列,稍后分析阻塞队列的一种实现方式。
- 更多相关文章见笔者博客
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。这两个附加的操作支持阻塞的插入和移除方法
1. 支持阻塞的插入方法:意思是当队列满时,队列会阻塞插入元素的线程,直到队列不满
2. 支持阻塞的移除方法:意思是在队列为空时,获取元素的线程会等待队列变为非空
阻塞队列常用于生产者和消费者的场景,生产者是向队列里添加元素的线程,消费者是从队列里取元素的线程。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
在阻塞队列不可用时,这两个附加操作提供了4种处理方式,如表1所示
- 插入和移除操作的 4 中处理方式
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,time,unit) |
移除方法 | remove(e) | poll() | take() | poll(time,unit) |
检查方法 | element() | peek() | 不可用 | 不可用 |
-
抛出异常:当队列满时,如果再往队列里插入元素,会抛出
IllegalStateException("Queue full")
异常。当队列空时,从队列里获取元素会抛出NoSuchElementException
异常 -
返回特殊值:当往队列插入元素时,会返回元素是否插入成功,成功返回 true。如果是移除方法,则是从队列里取出一个元素,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,直到队列可用或者响应中断退出。当队列空时,如果消费者线程从队列里take
元素,队列会阻塞住消费者线程,直到队列不为空 - 超时退出:当阻塞队列满时,如果生产者线程往队列里插入元素,队列会阻塞生产者线程一段时间,如果超过了指定的时间,生产者线程就会退出
这两个附加操作的 4 种处理方式不方便记忆,所以我找了一下这几个方法的规律。put
和 take
分别尾首含有字母 t
,offer
和 poll
都含有字母 o
注意:如果是无界阻塞队列,队列不可能会出现满的情况,所以使用
put
或offer
方法永远不会被阻塞,而且使用offer
方法时,该方法永远返回true
2. Java里的阻塞队列
JDK7提供了7个阻塞队列,如下:
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
-
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队列,所谓公平访问队列是指阻塞的线程,可以按照阻塞的先后顺序访问队列,即先阻塞线程先访问队列。非公平性是对先等待的线程是非公平的,当队列可用时,阻塞的线程都可以争夺访问队列的资格,有可能先阻塞的线程最后才访问队列。为了保证公平性,通常会降低吞吐量。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
-
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
-
PriorityBlockingQueue
是一个支持优先级的无界阻塞队列。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。需要注意的是不能保证同优先级元素的顺序。
-
-
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,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 -
DelayQueue
非常有用,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,比如TimerQueue
就是使用DelayQueue
实现的
- 缓存系统的设计:可以用
-
-
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,否则不能继续添加元素 - 它支持公平访问队列。默认情况下线程采用非公平性策略访问队列。使用以下构造方法可以创建公平性访问的
SynchronousQueue
,如果设置为true
,则等待的线程会采用先进先出的顺序访问队列
public SynchronousQueue(boolean fair){ transferer = fair?new TransferQueue():new TransferStack(); }
-
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,非常适合传递性场景。SynchronousQueue
的吞吐量高于LinkedBlockingQueue
和ArrayBlockingQueue
-
-
LinkedTransferQueue
-
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
take0
方法或带时间限制的poll0
方法时),transfer
方法可以把生产者传人的元素立刻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.yield0方法来暂停当前正在执行的线程,并执行其他线程
-
tryTransfer
方法-
tryTransfer
方法是用来试探生产者传人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,试图把生产者传人的元素直接传给消费者,但是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
LinkedBlockingDeque
是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的是可以从队列的两端插入和移出元素。双向队列因为多了一个操作队列的入口,在多线程同时人队时,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
和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最后一个元素。另外,插入方法add
等同于addLast
,移除方法remove
等效于removeFirst
。但是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度膨胀。另外,双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。