Java并发-Java中的阻塞队列


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。puttake 分别尾首含有字母 tofferpoll 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 putoffer 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。


  1. 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();
    }
                   
    
  1. 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。
  2. .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。
  3. 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
  4. 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LinkedBlockingQueueArrayBlockingQueue
  5. 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tryTransfertransfer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
  6. 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addFirstaddLastofferFirstofferLastpeekFirstpeekLast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JDKbug,使用时还是用带有FirstLast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。

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