12.并发编程--Queue

并发编程--Queue

Queue

• - 非阻塞队列
• - 阻塞队列

Queue是一种特殊的线性表，它只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作。进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。队列中没有元素时，称为空队列。
在队列这种数据结构中，最先插入的元素将是最先被删除的元素；反之最后插入的元素将是最后被删除的元素，因此队列又称为“先进先出”（FIFO—first in first out）的线性表。
在java5中新增加了java.util.Queue接口，用以支持队列的常见操作。该接口扩展了java.util.Collection接口。主要提供两类的实现：

• * ConcurrentLinkedQueue为代表的高性能的队列
• * BlockingQueue 为代表的阻塞队列

1-1 非阻塞队列

ConcurrentLinkedQueue
ConcurrentLinkedQueue是一个基于链接节点的无界线程安全队列，它采用先进先出的规则对节点进行排序，当我们添加一个元素的时候，它会添加到队列的尾部，当我们获取一个元素时，它会返回队列头部的元素。
它采用了“wait－free”算法来实现，该算法在Michael & Scott算法上进行了一些修改, Michael & Scott算法的详细信息可以参见参考资料一 http://www.cs.rochester.edu/u/michael/PODC96.html
注意他的几个方法：
add(E e) 和 offer(E e) ： 都是加入元素的方法 （ConcurrentLinkedQueue 这两个方法没有区别）
poll() 和 peek() 都是取头元素 ， 区别在于poll() 获取并移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null。peek()不会删除。

public class MyQueue {

  public static void main(String[] args) throws Exception {

    //高性能无阻塞无界队列：ConcurrentLinkedQueue

    final SynchronousQueue<String> q = new SynchronousQueue<String>();
    Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        try {
          System.out.println(q.take());
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    });
    t1.start();
    Thread t2 = new Thread(new Runnable() {

      @Override
      public void run() {
        q.add("asdasd");
      }
    });
    t2.start();        
  }
}

ConcurrentLinkedDeque

import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;

public class MyDeque {

  public static void main(String[] args) {

    LinkedBlockingDeque<String> dq = new LinkedBlockingDeque<String>(10);
    dq.addFirst("a");
    dq.addFirst("b");
    dq.addFirst("c");
    dq.addFirst("d");
    dq.addFirst("e");
    dq.addLast("f");
    dq.addLast("g");
    dq.addLast("h");
    dq.addLast("i");
    dq.addLast("j");
    //dq.offerFirst("k");
    System.out.println("查看头元素：" + dq.peekFirst());
    System.out.println("获取尾元素：" + dq.pollLast());
    Object [] objs = dq.toArray();
    for (int i = 0; i < objs.length; i++) {
      System.out.println(objs[i]);
    }

  }
}

1-2 阻塞队列

JDK提供的阻塞队列：

• ArrayBlockingQueue：

一个由数组结构组成的 有界阻塞队列，遵循FIFO原则。其内部维护一个定长的数组，以便缓存队列中的数据对象，其内部没有实现读写分离，生产者和消费者不能完全并行。
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：
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();
}

• LinkedBlockingQueue：

一个由链表结构组成的有界阻塞队列，遵循FIFO原则，默认和最大长度为Integer.MAX_VALUE。同ArrayBlockingQueue类似，其内部也是维护一个数据缓冲队列（由链表构成），
LinkedBlockingQueue 之所以可以高效的处理并发数据，是因为LinkedBlockingQueue内部采用分离锁（读写分离两个锁），从而实现生产者和消费者的操作完成并行运行。

• PriorityBlockingQueue：

一个支持优先级排序的无界阻塞队列。其排序不是加入的时候完成 而是调用take()方法时候进行排序
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。
实现PriorityBlockingQueue时，内部控制线程同步的锁采用的是公平锁。

示例：MyPriorityBlockingQueue.Java

public class Task implements Comparable<Task>{
    private int id ;
    private String name;
    public int getId() {
      return id;
    }
    public void setId(int id) {
      this.id = id;
    }
    public String getName() {
      return name;
    }
    public void setName(String name) {
      this.name = name;
    }

    @Override
    public int compareTo(Task task) {
      return this.id > task.id ? 1 : (this.id < task.id ? -1 : 0);  
    }

    public String toString(){
      return this.id + "," + this.name;
    }
}

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;

public class MyPriorityBlockingQueue {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
      PriorityBlockingQueue<Task> q = new PriorityBlockingQueue<Task>();

      Task t1 = new Task();
      t1.setId(3);
      t1.setName("id为3");
      Task t2 = new Task();
      t2.setId(4);
      t2.setName("id为4");
      Task t3 = new Task();
      t3.setId(1);
      t3.setName("id为1");

      //return this.id > task.id ? 1 : 0;
      q.add(t1);    //3
      q.add(t2);    //4
      q.add(t3);  //1

      // 1 3 4
      System.out.println("容器：" + q);
      System.out.println(q.take().getId()); //其排序不是加入的时候完成 而是调用take()方法时候进行排序
      System.out.println("容器：" + q);
    //        System.out.println(q.take().getId());
    //        System.out.println(q.take().getId());
    }
}

结果输出

容器：[1,id为1, 4,id为4, 3,id为3]
1
容器：[3,id为3, 4,id为4]   

　

• DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。

队列使用PriorityQueue来实现。队列中的元素必须实现Delayed接口(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)，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：一个不存储元素的阻塞队列。

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：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。

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：

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。