Java并发-Java中的阻塞队列

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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

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。

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
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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：
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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();
}

2. 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。

3. 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。

4. 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

5. 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
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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

6. 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

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      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。

7. 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。