Java中的阻塞队列
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:
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() | poll() | take() | poll(time,unit) |
检查方法 | element() | peek() | 不可用 | 不可用 |
- 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。
2. Java里的阻塞队列
JDK7提供了7个阻塞队列。分别是
- 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。我们可以使用以下代码创建一个公平的阻塞队 列:
1
|
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:
1
2
3
4
5
6
7
8
|
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。
队列中的Delayed必须实现compareTo来指定元素的顺序。比如让延时时间最长的放在队列的末尾。实现代码如下:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
|
public int compareTo(Delayed other) { if (other == this ) // compare zero ONLY if same object return 0 ; if (other instanceof ScheduledFutureTask) { ScheduledFutureTask x = (ScheduledFutureTask)other; long diff = time - x.time; if (diff < 0 ) return - 1 ; else if (diff > 0 ) return 1 ; else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber) return - 1 ; else return 1 ; } long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) - other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)); return (d == 0 ) ? 0 : ((d < 0 ) ? - 1 : 1 ); } |
如何实现Delayed接口
我们可以参考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask类。这个类实现了Delayed接口。首先:在对象创建的时候,使用time记录前对象什么时候可以使用,代码如下:
1
2
3
4
5
6
|
ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) { super (r, result); this .time = ns; this .period = period; this .sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement(); } |
然后使用getDelay可以查询当前元素还需要延时多久,代码如下:
1
2
3
|
public long getDelay(TimeUnit unit) { return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS); } |
通过构造函数可以看出延迟时间参数ns的单位是纳秒,自己设计的时候最好使用纳秒,因为getDelay时可以指定任意单位,一旦以纳秒作为单位,而延时的时间又精确不到纳秒就麻烦了。使用时请注意当time小于当前时间时,getDelay会返回负数。
如何实现延时队列
延时队列的实现很简单,当消费者从队列里获取元素时,如果元素没有达到延时时间,就阻塞当前线程。
1
2
3
4
5
|
long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS); if (delay <= 0 ) return q.poll(); else if (leader != null ) available.await(); |
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。
transfer方法。如果当前有消费者正在等待接收元素(消费者使用take()方法或带时间限制的 poll()方法时),transfer方法可以把生产者传入的元素立刻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:
1
2
|
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.yield()方法来暂停当前正在执行的线程,并执行其他线程。
tryTransfer方法。则是用来试探下生产者传入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,则是试图把生产者传入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。
3. 阻塞队列的实现原理
如果队列是空的,消费者会一直等待,当生产者添加元素时候,消费者是如何知道当前队列有元素的呢?如果让你来设计阻塞队列你会如何设计,让生产者和消费者能够高效率的进行通讯呢?让我们先来看看JDK是如何实现的。
使用通知模式实现。所谓通知模式,就是当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞住生产者,当消费者消费了一个队列中的元素后,会通知生产者当前队列可用。通过查看JDK源码发现ArrayBlockingQueue使用了Condition来实现,代码如下:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
|
private final Condition notFull; private final Condition notEmpty; public ArrayBlockingQueue( int capacity, boolean fair) { //省略其他代码 notEmpty = lock.newCondition(); notFull = lock.newCondition(); } public void put(E e) throws InterruptedException { checkNotNull(e); final ReentrantLock lock = this .lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == items.length) notFull.await(); insert(e); } finally { lock.unlock(); } } public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this .lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == 0 ) notEmpty.await(); return extract(); } finally { lock.unlock(); } } private void insert(E x) { items[putIndex] = x; putIndex = inc(putIndex); ++count; notEmpty.signal(); } |
当我们往队列里插入一个元素时,如果队列不可用,阻塞生产者主要通过LockSupport.park(this);来实现
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
|
public final void await() throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); Node node = addConditionWaiter(); int savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0 ; while (!isOnSyncQueue(node)) { LockSupport.park( this ); if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0 ) break ; } if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT; if (node.nextWaiter != null ) // clean up if cancelled unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0 ) reportInterruptAfterWait(interruptMode); } |
继续进入源码,发现调用setBlocker先保存下将要阻塞的线程,然后调用unsafe.park阻塞当前线程。
1
2
3
4
5
6
|
public static void park(Object blocker) { Thread t = Thread.currentThread(); setBlocker(t, blocker); unsafe.park( false , 0L); setBlocker(t, null ); } |
unsafe.park是个native方法,代码如下:
1
|
public native void park( boolean isAbsolute, long time); |
park这个方法会阻塞当前线程,只有以下四种情况中的一种发生时,该方法才会返回。
- 与park对应的unpark执行或已经执行时。注意:已经执行是指unpark先执行,然后再执行的park。
- 线程被中断时。
- 如果参数中的time不是零,等待了指定的毫秒数时。
- 发生异常现象时。这些异常事先无法确定。
我们继续看一下JVM是如何实现park方法的,park在不同的操作系统使用不同的方式实现,在linux下是使用的是系统方法 pthread_cond_wait实现。实现代码在JVM源码路径src/os/linux/vm/os_linux.cpp里的 os::PlatformEvent::park方法,代码如下:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
|
void os::PlatformEvent::park() { int v ; for (;;) { v = _Event ; if (Atomic::cmpxchg (v- 1 , &_Event, v) == v) break ; } guarantee (v >= 0 , "invariant" ) ; if (v == 0 ) { // Do this the hard way by blocking ... int status = pthread_mutex_lock(_mutex); assert_status(status == 0 , status, "mutex_lock" ); guarantee (_nParked == 0 , "invariant" ) ; ++ _nParked ; while (_Event < 0 ) { status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex); // for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ... // Treat this the same as if the wait was interrupted if (status == ETIME) { status = EINTR; } assert_status(status == 0 || status == EINTR, status, "cond_wait" ); } -- _nParked ; // In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(), // but then we'd need a MEMBAR after the ST. _Event = 0 ; status = pthread_mutex_unlock(_mutex); assert_status(status == 0 , status, "mutex_unlock" ); } guarantee (_Event >= 0 , "invariant" ) ; } } |
pthread_cond_wait是一个多线程的条件变量函数,cond是condition的缩写,字面意思可以理解为线程在等待一个条件发 生,这个条件是一个全局变量。这个方法接收两个参数,一个共享变量_cond,一个互斥量_mutex。而unpark方法在linux下是使用 pthread_cond_signal实现的。park 在windows下则是使用WaitForSingleObject实现的。
当队列满时,生产者往阻塞队列里插入一个元素,生产者线程会进入WAITING (parking)状态。我们可以使用jstack dump阻塞的生产者线程看到这点:
1
2
3
4
5
6
7
8
|
"main" prio= 5 tid= 0x00007fc83c000000 nid= 0x10164e000 waiting on condition [ 0x000000010164d000 ] java.lang.Thread.State: WAITING (parking) at sun.misc.Unsafe.park(Native Method) - parking to wait for < 0x0000000140559fe8 > (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject) at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java: 186 ) at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java: 2043 ) at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.put(ArrayBlockingQueue.java: 324 ) at blockingqueue.ArrayBlockingQueueTest.main(ArrayBlockingQueueTest.java: 11 ) |
原文转载:http://www.importnew.com/17537.html