BlockingQueue - 阻塞队列
定义
BlockingQueue 一般用于生产者-消费者模式,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。BlockingQueue 就是存放元素的容器。
1. 常用方法
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抛出异常:如果操作无法立即执行,则会抛出异常。当阻塞队列满的时候,再往队里里插入元素,会抛出 Queue full 异常。当队列为空时,从队列里获取元素会抛出 NoSuchElementException 异常。
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返回特殊值:如果插入、删除操作成功,那么会返回结果:true、false。
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一直阻塞:当队列满时,执行 put 增加操作那么会阻塞;当队列为空时,执行take 移除操作,那么也会阻塞。
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超时退出:在 offer、poll 操作时,可以设置超时的属性,例如超时的时间、时间单位。如果在给定的时间内没有能够执行完成,那么就会返回true、false标识操作执行的状态。
不能往阻塞队列中插入 null,会抛出空指针异常。
可以访问阻塞队列中的任意元素,调用 remove(o)可以将队列之中的特定对象移除,但并不高效。
2. 具体实现类
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ArrayBlockingQueue
由数组结构组成的有界阻塞队列,初始化时必须指定容量大小,默认采用的是unfair 锁。
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LinkedBlockingQueue
由链表结构组成的有界阻塞队列,具有链表的特性。默认的队列的大小是
Integer.MAX_VALUE
,也可以指定大小。 -
DelayQueue
延时队列,该队列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。其中的元素必须实现
Delayed
接口,内部是一个优先级队列,没有大小限制的队列,所以 take 和 put 操作永远不会阻塞,以为内部都是调用 poll 和 offer。 -
PriorityBlockingQueue
基于优先级的无界队列,优先级通过判断传入构造参数中的
Compator
对象决定。因为是无界的,所以不会阻塞生产者put,但是当队列中容量为空时,则会阻塞消费者 take 操作。 -
SynchronousQueue
内部没有任何容量,每个put操作必须等待一个take操作。内部的实现其实是
TransferQueue
(公平模式下),TransferStack
(非公平模式下), 直接使用CAS实现线程的安全访问。当它生产产品(即put的时候),如果当前没有人想要消费产品(即当前没有线程执行take),此生产线程必须阻塞,等待一个消费线程调用take操作,take操作将会唤醒该生产线程,同时消费线程会获取生产线程的产品(即数据传递),这样的一个过程称为一次配对过程(当然也可以先take后put,原理是一样的)。公平模式下,总结下来就是:队尾匹配队头出队,先进先出,体现公平原则。
非公平模式下,总结下来就是:栈顶匹配栈顶出栈,先进后出,体现非公平原则。
生产者生产数据的速度绝对不能快于消费者消费数据的速度,否则时间一长,则会耗尽所有的可用堆内存空间。
实现原理
下面就详细讲解下ArrayBlockingQueue的实现原理,主要是利用了 Lock 锁的多条件(Condition)阻塞控制。
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构造方法
// 数组初始容量大小, // 公平锁的方法,默认是false 非公平锁 // notEmpty:标记为消费者条件 // notFull: 标记为生产者条件 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(); }
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put
/** * 插入元素到队列中,如果队列满了,那么就会等待队列可用时 * @throws InterruptedException {@inheritDoc} * @throws NullPointerException {@inheritDoc} */ public void put(E e) throws InterruptedException { // 检查元素是否为空,如果为空则会抛出空指针异常 checkNotNull(e); // 全局锁 final ReentrantLock lock = this.lock; // 获取全局锁,直到获取或者中断则结束 lock.lockInterruptibly(); try { // 队列满时,生产者释放锁,阻塞当前线程不进行入队操作 while (count == items.length) notFull.await(); // 入队 enqueue(e); } finally { lock.unlock(); } } /** * 入队操作,然后唤醒一个等待的消费者线程 */ private void enqueue(E x) { // assert lock.getHoldCount() == 1; // assert items[putIndex] == null; final Object[] items = this.items; items[putIndex] = x; if (++putIndex == items.length) putIndex = 0; count++; notEmpty.signal(); }
总结 put 流程:
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所有执行 put 操作的线程竞争 lock 锁,拿到了 lock 锁的线程进入下一步,没有拿到 lock 锁的线程自旋竞争锁。
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判断阻塞队列是否满了,如果满了,则阻塞生产者线程继续生产。同时释放 lock 锁,等待被消费者线程唤醒。
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如果没有满,调用
enqueue(E x)
使得 x 元素进行入队操作,唤醒一个消费者线程。
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take
// 获取队列元素 public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock; // 获取全局锁 lock.lockInterruptibly(); try { // 当队列为空,阻塞消费者线程获取元素 while (count == 0) notEmpty.await(); // 队列不为空,返回出队元素 return dequeue(); } finally { lock.unlock(); } } // 出队,先进先出 private E dequeue() { // assert lock.getHoldCount() == 1; // assert items[takeIndex] != null; final Object[] items = this.items; @SuppressWarnings("unchecked") E x = (E) items[takeIndex]; items[takeIndex] = null; if (++takeIndex == items.length) takeIndex = 0; count--; if (itrs != null) itrs.elementDequeued(); // 唤醒一个生产者线程 notFull.signal(); return x; }
总结 take 操作:
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所有执行 take 操作的线程竞争 lock 锁,没有拿到全局锁,则会自旋竞争锁。
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判断队列是否为空,如果为空,则阻塞消费者线程获取元素。
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如果不为空,调用
dequeue()
返回出队元素,最后唤醒一个生产者线程。
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put 和 take 操作都是需要先获取锁。
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拿到锁后,还要查看队列状态,是否满足入队、出队条件。
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