Java并发编程（四）
1、线程上下文切换
线程的上下文切换：任务的状态保存及在加载。
- 上下文：线程切换时CPU寄存器和程序计数器所保存的当前线程信息。
- 寄存器：CPU内部容量较小但速度很快的内存区域。寄存器通过对常用值的快速访问来加快计算机程序运行的速度。
- 程序计数器：一个专门的寄存器，用于表明指令序列中CPU正在执行的位置。存储的值为正在执行的指令的位置或下一个将被执行的指令的位置。
1.1 上下文切换
上下文切换：内核在CPU上对进程或线程进行切换。切换流程如下：‘’
（1）挂起一个进程，将这个进程在CPU中的状态存储于内存的PCB（进程控制块）中。
（2）在PCB中检索下一个进程的上下文并将其在CPU的寄存器中恢复。
（3）跳转到程序计数器所指向的位置并恢复该进程。
1.2 引起线程上下文切换的原因
（1）当前正在执行的任务完成，系统的CPU正常调度下一个任务。
（2）当前正在执行的任务遇到I/O等阻塞操作，调度器挂起此任务，继续调度下一个任务。
（3）多个任务并发抢占锁资源，当前任务没有抢到锁资源，被调度器挂起，继续调度下一个任务。
（4）用户代码挂起当前任务，如执行sleep方法，让出CPU。
（5）硬件中断。
2、Java阻塞队列
队列是一种只允许在表的前端进行删除操作，在表的后端进行插入操作的线性表。
阻塞是指操作队列的线程的一种状态。线程阻塞有如下两种情况：
- 消费者阻塞：在队列为空时，消费者端的线程都会被自动阻塞，直到数据放入队列，消费者线程会被自动唤醒并消费数据。如图。
- 生产者阻塞：在队列已满且没有可用空间时，生产者端的线程都会被自动阻塞，直到队列中有空的位置腾出，线程会被自动唤醒并生产数据。如图。
2.1 阻塞队列的主要操作
2.1.1 插入操作
（1）public abstract bollean add(E param)：指定的元素插入队列中，成功返回true，如果没有可用空间，则抛出IllegalStateException。源码如下：
public boolean add(E e) { if (offer(e)) return true; else throw new IllegalStateException("Queue full"); }
（2）public abstract bollean offer(E param)：将指定元素插入队列中，在成功时返回true，如果当前没有可用的空间，则返回false。源码如下：
public boolean offer(E e) { checkNotNull(e); final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { if (count == items.length) return false; else { enqueue(e); return true; } } finally { lock.unlock(); } }
enqueue(e)方法源码如下：
private void enqueue(E x) { // assert lock.getHoldCount() == 1; // assert items[putIndex] == null; final Object[] items = this.items; items[putIndex] = x; if (++putIndex == items.length) putIndex = 0; count++; notEmpty.signal(); }
（3）public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit ) throws InterruptedException：将指定的元素插入队列中，可以设定等待时间，如果超时，则返回false。源码如下：
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { checkNotNull(e); long nanos = unit.toNanos(timeout); final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == items.length) { if (nanos <= 0) return false; nanos = notFull.awaitNanos(nanos); } enqueue(e); return true; } finally { lock.unlock(); } }
（4）public void put(E e) throws InterruptedException：将指定元素插入队列，如果队列已经满了，则阻塞、等待可用队列空间的释放，直到有可用的队列空间释放且插入成功为止，源码如下：
public void put(E e) throws InterruptedException { checkNotNull(e); final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == items.length) notFull.await(); enqueue(e); } finally { lock.unlock(); } }
2.1.2 插入操作
（1）poll()：取走队列队首的对象，如果取不到，则返回null。源码如下：
public E poll() { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { return (count == 0) ? null : dequeue(); } finally { lock.unlock(); } }
dequeue()源码如下：
private E dequeue() { // assert lock.getHoldCount() == 1; // assert items[takeIndex] != null; final Object[] items = this.items; @SuppressWarnings("unchecked") E x = (E) items[takeIndex]; items[takeIndex] = null; if (++takeIndex == items.length) takeIndex = 0; count--; if (itrs != null) itrs.elementDequeued(); notFull.signal(); return x; }
（2）poll(long timeout, TimeUnit unit)：取走队列队首的对象如果在指定的时间内有数据可取，则返回队列中的数据，若超时，返回null。
（3）take()：取走队列队首的对象，如果队列为空，则进入阻塞状态等待，直到队列中有新的数据被加入，取出新加入的数据。源码如下：
public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == 0) notEmpty.await(); return dequeue(); } finally { lock.unlock(); } }
（4）drainTo(Collection collection)：一次性批量获取所有数据，也可以指定获取数据的个数。源码如下：
public int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements) { checkNotNull(c); if (c == this) throw new IllegalArgumentException(); if (maxElements <= 0) return 0; final Object[] items = this.items; final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { int n = Math.min(maxElements, count); int take = takeIndex; int i = 0; try { while (i < n) { @SuppressWarnings("unchecked") E x = (E) items[take]; c.add(x); items[take] = null; if (++take == items.length) take = 0; i++; } return n; } finally { // Restore invariants even if c.add() threw if (i > 0) { count -= i; takeIndex = take; if (itrs != null) { if (count == 0) itrs.queueIsEmpty(); else if (i > take) itrs.takeIndexWrapped(); } for (; i > 0 && lock.hasWaiters(notFull); i--) notFull.signal(); } } } finally { lock.unlock(); } }
2.2 Java中的阻塞队列实现
（1）ArrayBlockingQueue：基于数组结构实现的有界阻塞队列，ArrayBlockingQueue队列按照先进先出原则对元素进行排序，在默认情况下不保证元素操作的公平性。
（2）LinkedBlockingQueue：基于链表结构实现的有界阻塞队列，LinkedBlockingQueue按照先进先出原则对元素进行排序。LinkedBlockingQueue对生产者端和消费者端分别采用了两个独立的锁来控制数据同步，队列的并发性能较高。
（3）PriorityBlockingQueue：一个支持优先级的无界队列。元素在默认情况下采用升序排列，可以自定义实现compareTo方法来指定元素进行排序规则。如果两个元素的优先级相同，则不能保证该元素的存储和访问顺序。
class Data implements Comparable<Data> { private String id; private Integer number; public Integer getNumber() { return number; } public void setNumber(Integer number) { this.number = number; } @Override public int compareTo(Data o) { return this.number.compareTo(o.getNumber()); } } final PriorityBlockingQueue<Data> queue = new PriorityBlockingQueue<Data>();
（4）DelayQueue：支持延时获取元素的无界阻塞队列，底层使用PriorityBlockingQueue实现。DelayQueue队列中的元素必须实现Delayed接口，该接口定义了在创建元素是该元素的延迟时间，在内部通过为每个元素的操作加锁来保障数据的一致性。只有在延迟时间到后才能从队列中提取元素。
DelayQueue适用于以下场景：
- 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，则表示缓存的有效期到了。
- 定时任务调度：使用DelayQueue保存即将执行的任务和执行时间，一旦从DelayQueue中获取元素，就表示任务开始执行。
（5）SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。SynchronousQueue中的每个put操作都必须等待一个take操作完成，否则不能继续添加元素。
（6）LinkedTransferQueue：基于链表结构实现的无界阻塞队列。
相对于其他阻塞队列，LinkedTransferQueue多了transfer、tryTransfer和tryTransfer（E e, long timeout, TimeUnit unit）方法。
- transfer方法：如果当前有消费者正在等待接收元素，transfer方法就会直接把生产者传入的元素投递给消费者并返回true。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尾部（tail）节点，直到被消费后才返回。
- tryTransfer方法：尝试是否能将生产者传入的元素直接传给消费者，如果没有消费者等待接收元素，则返回false。
- tryTransfer（E e, long timeout, TimeUnit unit）方法：尝试是否能将生产者传入的元素直接传给消费者，如果没有消费者，则等待指定时间，超时返回false。
（7）LinkedBlockingDeque：基于链表结构实现的双向阻塞队列，可以在队列的两端分别执行插入和移除元素操作。可以减少一半的锁资源竞争，提高队列的操作效率。相比于其他队列，LinkedBlockingDeque多了addFirst、addLast、offerFirst、offerLast、peekFirst、peekLast等方法。其中以First结尾的方法表示在队列头部执行插入、获取、移除操作；以Last结尾的方法表示在队列的尾部执行插入、获取、移除操作。
