java多线程之阻塞队列
阻塞队列(BlockingQueue)是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是:在队列为空时,获取元素的线程会等待队列变为非空。当队列满时,存储元素的线程会等待队列可用。阻塞队列常用于生产者和消费者的场景,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。阻塞队列就是生产者存放元素的容器,而消费者也只从容器里拿元素。
阻塞队列提供了四种处理方法:
- 抛出异常:是指当阻塞队列满时候,再往队列里插入元素,会抛出IllegalStateException(“Queue full”)异常。当队列为空时,从队列里获取元素时会抛出NoSuchElementException异常 。
- 返回特殊值:插入方法会返回是否成功,成功则返回true。移除方法,则是从队列里拿出一个元素,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,直到拿到数据,或者响应中断退出。当队列空时,消费者线程试图从队列里take元素,队列也会阻塞消费者线程,直到队列可用。
- 超时退出:当阻塞队列满时,队列会阻塞生产者线程一段时间,如果超过一定的时间,生产者线程就会退出。
阻塞队列实现类
- 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。默认情况下不保证访问者公平的访问队列,所谓公平访问队列是指阻塞的所有生产者线程或消费者线程,当队列可用时,可以按照阻塞的先后顺序访问队列,即先阻塞的生产者线程,可以先往队列里插入元素,先阻塞的消费者线程,可以先从队列里获取元素。通常情况下为了保证公平性会降低吞吐量。
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队列。默认情况下元素采取自然顺序排列,也可以通过比较器comparator来指定元素的排序规则。元素按照升序排列。
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。
我们可以将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,从比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。
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。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,非常适合于传递性场景,比如在一个线程中使用的数据,传递给另外一个线程使用,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。
LinkedBlockingDeque
LinkedBlockingDeque是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的你可以从队列的两端插入和移出元素。双端队列因为多了一个操作队列的入口,在多线程同时入队时,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,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时可以初始化队列的容量,用来防止其再扩容时过渡膨胀。另外双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。
阻塞队列应用场景
阻塞队列的最常使用的例子就是生产者消费者模式,也是各种实现生产者消费者模式方式中首选的方式。使用者不用关心什么阻塞生产,什么时候阻塞消费,使用非常方便,代码如下:
package MyThread; import java.util.Random; import java.util.concurrent.BlockingQueue; import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue; import java.util.concurrent.TimeUnit; public class BlockingQueueTest { //生产者 public static class Producer implements Runnable{ private final BlockingQueue<Integer> blockingQueue; private volatile boolean flag; private Random random; public Producer(BlockingQueue<Integer> blockingQueue) { this.blockingQueue = blockingQueue; flag=false; random=new Random(); } public void run() { while(!flag){ int info=random.nextInt(100); try { blockingQueue.put(info); System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" produce "+info); Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } } public void shutDown(){ flag=true; } } //消费者 public static class Consumer implements Runnable{ private final BlockingQueue<Integer> blockingQueue; private volatile boolean flag; public Consumer(BlockingQueue<Integer> blockingQueue) { this.blockingQueue = blockingQueue; } public void run() { while(!flag){ int info; try { info = blockingQueue.take(); System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" consumer "+info); Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } } public void shutDown(){ flag=true; } } public static void main(String[] args){ BlockingQueue<Integer> blockingQueue = new LinkedBlockingQueue<Integer>(10); Producer producer=new Producer(blockingQueue); Consumer consumer=new Consumer(blockingQueue); //创建5个生产者,5个消费者 for(int i=0;i<10;i++){ if(i<5){ new Thread(producer,"producer"+i).start(); }else{ new Thread(consumer,"consumer"+(i-5)).start(); } } try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } producer.shutDown(); consumer.shutDown(); } }
阻塞队列实现原理
阻塞队列实际上使用的就是是lock锁的多条件(condition)阻塞控制。使用BlockingQueue封装了根据条件阻塞线程的过程,而我们就不用关心繁琐的await/signal操作了。
Jdk 1.7中ArrayBlockingQueue部分代码:
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) { if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException(); //创建数组 this.items = new Object[capacity]; //创建锁和阻塞条件 lock = new ReentrantLock(fair); notEmpty = lock.newCondition(); notFull = lock.newCondition(); } //添加元素的方法 public void put(E e) throws InterruptedException { checkNotNull(e); final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == items.length) notFull.await(); //如果队列不满就入队 enqueue(e); } finally { lock.unlock(); } } //入队的方法 private void enqueue(E x) { final Object[] items = this.items; items[putIndex] = x; if (++putIndex == items.length) putIndex = 0; count++; notEmpty.signal(); } //移除元素的方法 public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == 0) notEmpty.await(); return dequeue(); } finally { lock.unlock(); } } //出队的方法 private E dequeue() { 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(); notFull.signal(); return x;
双端阻塞队列(BlockingDeque)
concurrent包下还提供双端阻塞队列(BlockingDeque),和BlockingQueue是类似的,只不过BlockingDeque提供从任意一端插入或者抽取元素的队列。