痛失网易30K之二：看你牛逼轰轰，请写一个阻塞队列
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痛失网易30K之二：看你牛逼轰轰，请写一个阻塞队列
说在前面
在40岁老架构师 尼恩的读者交流群(50+)中，最近有小伙伴拿到了一线互联网企业如网易、极兔、有赞、希音、百度、美团的面试资格，遇到2个很重要的面试题：
第二弹：手写一个阻塞队列
阻塞队列，是面试的绝对重点和难点。
小伙伴 第一弹没有回答好，面试官又来了第二弹要求手写一个阻塞队列，又没有写出来.....
小伙伴和尼恩说，阻塞队列虽然天天用，但是怎么实现， 还真没想过，还是要求手写.....，当时就懵逼了
于是30K的优质offer，白白就溜走了。
为了让后面的小伙伴不在同一个地方躺坑。
这里尼恩给大家做一下系统化、体系化的线程池梳理，使得大家可以充分展示一下大家雄厚的 “技术肌肉”，让面试官爱到 “不能自已、口水直流”。
也一并把这个题目以及参考答案，收入咱们的 《尼恩Java面试宝典》V91版本，供后面的小伙伴参考，提升大家的 3高 架构、设计、开发水平。
注：本文以 PDF 持续更新，最新尼恩 架构笔记、面试题 的PDF文件，请关注公众号【技术自由圈】领取，暗号：领电子书
1、什么是阻塞队列？
阻塞队列是一种队列，阻塞队列是一种特殊的队列。
阻塞队列是一种可以在多线程环境下使用，并且支持阻塞等待的队列。
线程 1 往阻塞队列中添加元素，当阻塞队列是满的，线程 1就会阻塞，直到队列不满
线程 2 从阻塞队列中移除元素，当阻塞队列是空的，线程 2 会阻塞，直到队列不空；
2、阻塞队列的作用
阻塞队列，也就是 BlockingQueue，它是一个接口，如代码所示：
public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E>{...}
BlockingQueue 继承了 Queue 接口，是队列的一种。
Queue 和 BlockingQueue 都是在 Java 5 中加入的。
BlockingQueue 是线程安全的，在很多场景下都可以利用线程安全的队列来优雅地解决业务自身的线程安全问题。
比如说，使用生产者/消费者模式的时候，生产者只需要往队列里添加元素，而消费者只需要从队列里取出它们就可以了，如图所示：
阻塞队列区别于其他类型的队列的最主要的特点就是“阻塞”这两个字，
阻塞功能使得生产者和消费者两端的能力得以平衡，当有任何一端速度过快时，阻塞队列便会把过快的速度给降下来。
3、阻塞队列的核心方法
| 方法类型 | 抛出异常 | 特殊值 | 阻塞 | 超时 |
|---|---|---|---|---|
| 插入 | add(e) | offer(e) | put(e) | offer(e,time,unit) |
| 移除 | remove() | poll() | take() | poll(time,unit) |
| 检查 | element | peek | 不可用 | 不可用 |
1、抛异常的方法 就是在插入满了之后，会报一个异常，remove一样，element是检查队头的元素或者是否为空。
2、特殊值的方法是在插入满之后返回值变成了false而不是一个异常，取出失败的时候返回null。
3、阻塞方法是在插入满之后把这个方法阻塞，一直等待队列空出来一个之后再进行加入，会出现一直等待，也可能出现饥饿现象。
4、超时方法的话，当阻塞队列满时，队列会阻塞生产者线程一定时间，超过限时后生产者线程会退出。
实现阻塞最重要的两个方法是 take 方法和 put 方法。
3.1 take 方法
take 方法的功能是获取并移除队列的头结点，通常在队列里有数据的时候是可以正常移除的。
可是一旦执行 take 方法的时候，队列里无数据，则阻塞，直到队列里有数据。
一旦队列里有数据了，就会立刻解除阻塞状态，并且取到数据。
过程如图所示：
3.2 put 方法
put 方法插入元素时，如果队列没有满，那就和普通的插入一样是正常的插入，但是如果队列已满，那么就无法继续插入，则阻塞，直到队列里有了空闲空间。
如果后续队列有了空闲空间，比如消费者消费了一个元素，那么此时队列就会解除阻塞状态，并把需要添加的数据添加到队列中。
put 过程如图所示：
以上过程中的阻塞和解除阻塞，都是 BlockingQueue 完成的，不需要我们自己处理。
4、手写模拟实现一个阻塞队列
手写模拟实现一个阻塞队列，可以基于数组实现的阻塞队列，如何手写呢？
我们先从功能设计开始：
- 首先它是一个队列，队列需要具备入队、出队的能力， 所以，设计两个方法 put、take
- put操作的时候，需要在队列已满时，对入队的请求进行阻塞，当队列有剩余空间时，释放入队请求；
- take操作的时候，在队列为空时，需要对出队的请求进行阻塞，当队列中有元素时，释放出队请求；
- 由于ArrayBlockingQueue是一个在多线程情况下使用的数据结构，需要保证它的操作的线程安全性，所以，这里需要用到锁
4.1.用数组实现队列
如何用数组实现数据的入队出队操作呢？
如何写入呢？
这个简单，可以通过一个index字段存储当前数组下一个写入的位置。
如何处理出队呢?
一种简单的方法 ：简单的返回数组第一个元素，并且把后面所有的元素向前移动一位。
如果这么操作，出队时会移动大量的元素，它的时间复杂度是O(n)。
那有没有更高效的方案呢？
还有另一个循环数组的方案，我们通过两个int字段，分别记录下一个要入队和下一个要出队的元素的位置，当入队到数组末尾时，从0开始，同样当出队到末尾时，也从0开始。
另外当队列为空和队列已满的时候，takeIndex和putIndex都指向相同的位置，所以为了进行区分，我们可以用一个count字段存储队列元素数量，这样当count=0的时候说明队列为0，count=数组容量的时候说明队列已满
4.2.使用 synchronized 实现
由于 synchronized 是同一把锁，所以使用 notify() 可能会唤醒非目标线程，notifyAll() 唤醒全部线程则会带来大量的 CPU 上下文交换和锁竞争
package com.crazymakercircle.queue;
public class ArrayBlockingQueue{
private Object[] array; //数组
private int takeIndex; //头
private int putIndex; //尾
private volatile int count; //元素个数
public ArrayBlockingQueue(int capacity){
this.array = new Object[capacity];
}
//写入元素
public synchronized void put(Object o) throws InterruptedException{
//当队列满时，阻塞
while(count == array.length){
this.wait();
}
array[putIndex++] = o;
if(putIndex ==array.length){
putIndex = 0;
}
count++;
//唤醒线程
this.notifyAll();
}
//取出元素
public synchronized Object take() throws InterruptedException{
//当队列为空，阻塞
while(count == 0){
this.wait();
}
Object o = array[takeIndex++];
if(takeIndex == array.length){
takeIndex = 0;
}
count--;
//唤醒线程
this.notifyAll();
return o;
}
}
4.3.使用 ReentrantLock
可以使用 Condition 指定要唤醒的线程，所以效率高
package com.crazymakercircle.queue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ArrayBlockingQueueReentrantLock{
private Object[] array; //数组
private int takeIndex; //头
private int putIndex; //尾
private volatile int count; //元素个数
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); //锁
private Condition notEmpty = lock.newCondition(); //非空
private Condition notFull = lock.newCondition(); //非满
public ArrayBlockingQueueReentrantLock(int capacity){
this.array = new Object[capacity];
}
//写入元素
public void put(Object o) throws InterruptedException{
try{
lock.lock();
//当队列满时，阻塞
while(count == array.length){
notFull.wait();
}
array[putIndex++] = o;
if(putIndex == array.length){
putIndex = 0;
}
count++;
//唤醒线程
notEmpty.notifyAll();
}finally{
lock.unlock();
}
}
//取出元素
public Object take() throws InterruptedException{
lock.lock();
try{
//当队列为空，阻塞
while(count == 0){
notEmpty.wait();
}
Object o = array[takeIndex++];
if(takeIndex == array.length){
takeIndex = 0;
}
count--;
//唤醒线程
notFull.notifyAll();
return o;
}finally{
lock.unlock();
}
}
}
最终，咱们要回到源码
接下来，拆解JUC源码中，ArrayBlockingQueue的实现步骤
5、拆解ArrayBlockingQueue实现步骤
我们先拆解一下问题，把拆解ArrayBlockingQueue实现步骤分成两个步骤
- 用数组实现队列
- 给队列加上阻塞能力和保证线程安全
5.1 用数组实现队列
使用 takeIndex、putIndex 避免数组复制
下面代码展示了用数组实现队列的具体实现。
class ArrayBlockingQueue<E> {
final Object[] items;
int takeIndex;
int putIndex;
int count;
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
}
private void enqueue(E e) {
Object[] items = this.items;
items[putIndex] = e;
if (++putIndex == items.length) putIndex = 0;
count++;
}
private E dequeue() {
Object[] items = this.items;
E e = (E) items[takeIndex];
items[takeIndex] = null;
if (++takeIndex == items.length) takeIndex = 0;
count--;
return e;
}
}
5.2 实现条件阻塞和线程安全
「在队列已满时，对入队的请求进行阻塞，当队列有剩余空间时，释放入队请求」这个需求本质上是一个条件等待的特例，写入的条件是队列不满，不满足条件的时候需要等待，直到满足条件为止。
在Java中，实现条件等待有synchronized+Object.wait和Lock+Condition.await两种方式，这里不用synchronized方案，是因为
- synchronized不支持interrupt
- synchronized无法支持多个条件
通过Lock和Condition的方案，还能够保证线程安全，因为上面的环形数组实现中，线程间共享的变量有items数组、takeIndex、putIndex、count，线程安全涉及到原子性可见性重排序几个方面，通过Lock类加锁可以对共享变量的读写操作进行保护。
定义阻塞的Lock对象和Condition，条件分为不满和不空两个条件。
class ArrayBlockingQueue<E> {
final Object[] items;
int takeIndex;
int putIndex;
int count;
ReentrantLock lock;
private final Condition notEmpty;
private final Condition notFull;
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
// 创建lock对象
lock = new ReentrantLock();
// 创建非空的Condition
notEmpty = lock.newCondition();
// 创建不满的Condition
notFull = lock.newCondition();
}
}
以入队操作添加实现为例，能够入队的条件是队列不满，也就是count < items.length，不能入队的条件反过来就是count == items.length。
当满足条件后，我们就可以入队了，入队之后，还需要唤醒等待出队的线程。
5.3 put方法的流程为
- 先加锁
- 在锁中while循环判断条件是否满足，不满足调用notFull.await()，await()方法会释放锁，被其他线程signal唤醒后会重新抢锁，再次获得锁后会继续走到while循环判断条件的地方。
- 如果条件已经满足，则执行入队操作
- 入队完之后调用notEmpty.signal()唤醒一个等待notFull条件的线程
- finally中释放锁
public void put(E e) throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
enqueue(e);
notEmpty.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
方法中还有一些小细节
- put方法中，为什么要先用一个声明一个lock局部变量呢？
ReentrantLock lock = this.lock;
这是因为如果不使用局部变量，后面所有使用实例变量的调用，在字节码指令层面需要变成先调用aload 0获取到this，再调用getField指令获取字段值，再进行其他操作。
而先把lock存到局部变量中，后面所有的获取lock就可以变成一个aload xxx指令，从而节省了指令数量，也就会加快方法的执行速度。
- 为什么while循环需要放在锁内呢？
如果不放在锁内，则可能会出现多个线程同时看到满足条件，进而去加锁入队。
虽然入队还是在临界区，但是会出现队列已满，仍然在执行入队操作的情况。
这个问题和单例的double check locking中少些一个check的问题类似。
5.4 take方法的流程为
take方法是和put相对应的出队方法，和put流程基本一致
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
E element = dequeue();
notFull.signal()
return element;
} finally {
lock.unlock();
}
}
尼恩提示
更多的 JUC 高并发知识，请参见《Java 高并发核心编程 卷2 加强版》
说在后面
如果手写到后面一个版本，并且能把 实例变量的调用的性能优化，while循环为何要放在锁内等这些高超的技术点写出来，那么太牛了。
那么面试官一定将你归为技术大佬、技术高手，面试官已经爱到 “不能自已、口水直流” 啦。
offer，当然也就来了。
此真题收入4800页《尼恩Java面试宝典》V91版，最新的PDF找尼恩获取。
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