Java中的阻塞队列
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:
插入和移除操作的4种处理方式
- 抛出异常:当队列满时,如果再往队列里插入元素,会抛出IllegalStateException("Queuefull")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。
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。
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(); }
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。
(1)如何实现Delayed接口
DelayQueue队列的元素必须实现Delayed接口。我们可以参考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask类的实现,一共有三步。
第一步:在对象创建的时候,初始化基本数据。使用time记录当前对象延迟到什么时候可以使用,使用sequenceNumber来标识元素在队列中的先后顺序。代码如下。
private static final AtomicLong sequencer = new AtomicLong(0); ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period){
super(r, result); this.time = ns; this.period = period; this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement(); }
第二步:实现getDelay方法,该方法返回当前元素还需要延时多长时间,单位是纳秒,代码如下。
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,因为实现getDelay()方法时可以指定任意单位,一旦以秒或分作为单位,而延时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。
第三步:实现compareTo方法来指定元素的顺序。例如,让延时时间最长的放在队列的末尾。实现代码如下。
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); }
(2)如何实现延时阻塞队列
延时阻塞队列的实现很简单,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。
long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS); if (delay <= 0) return q.poll(); else if (leader != null) available.await(); else { Thread thisThread = Thread.currentThread(); leader = thisThread; try { available.awaitNanos(delay); } finally { if (leader == thisThread) leader = null; } }
代码中的变量leader是一个等待获取队列头部元素的线程。如果leader不等于空,表示已经有线程在等待获取队列的头元素。所以,使用await()方法让当前线程等待信号。如果leader等于空,则把当前线程设置成leader,并使用awaitNanos()方法让当前线程等待接收信号或等待delay时间。
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。
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。
(1)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。
(2)tryTransfer方法
tryTransfer方法是用来试探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(Ee,longtimeout,TimeUnitunit)方法,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。
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。
参考资料
方腾飞:《Java并发编程的艺术》
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