JUC中的阻塞队列

阻塞队列的应用场景
阻塞队列这块的应用场景，比较多的仍然是对于生产者消费者场景的应用，但是由于分布式架构的普及，是的大家更多的关注在分布式消息队列上。所以其实如果把阻塞队列比作成分布式消息队列的话，那么所谓的生产者和消费者其实就是基于阻塞队列的解耦。另外，阻塞队列是一个 fifo 的队列，所以对于希望在线程级别需要实现对目标服务的顺序访问的场景中，也可以使用;

在Java8中，提供了7个阻塞队列:

阻塞队列的操作方法
在阻塞队列中，提供了四种处理方式

1. 插入操作

add(e) ：添加元素到队列中，如果队列满了，继续插入元素会报错，IllegalStateException。

offer(e) : 添加元素到队列，同时会返回元素是否插入成功的状态，如果成功则返回true
put(e) ：当阻塞队列满了以后，生产者继续通过 put 添加元素，队列会一直阻塞生产者线程，知道队列可用

offer(e,time,unit) ：当阻塞队列满了以后继续添加元素，生产者线程会被阻塞指定时间，如果超时，则线程直接退出

2. 移除操作

remove()：当队列为空时，调用 remove 会返回 false，如果元素移除成功，则返回true

poll(): 当队列中存在元素，则从队列中取出一个元素，如果队列为空，则直接返回null

take()：基于阻塞的方式获取队列中的元素，如果队列为空，则take方法会一直阻塞，直到队列中有新的数据可以消费

poll(time,unit)：带超时机制的获取数据，如果队列为空，则会等待指定的时间再去获取元素返回

ArrayBlockingQueue 原理分析
构造方法
ArrayBlockingQueue提供了三个构造方法，分别如下。 capacity：表示数组的长度，也就是队列的长度
fair：表示是否为公平的阻塞队列，默认情况下构造的是非公平的阻塞队列。其中第三个构造方法就不解释了，它提供了接收一个几个作为数据初始化的方法;

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
    if (capacity <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    this.items = new Object[capacity];
    lock = new ReentrantLock(fair);//重入锁，入队和入队持有同一把锁
    notEmpty = lock.newCondition();//初始化非空等待队列
    notFull =  lock.newCondition();//初始化非满等待队列
}

Add 方法 
以add方法作为入口，在add方法中会调用父类的add方 法，也就是 AbstractQueue.如果看源码看得比较多的话， 
一般这种写法都是调用父类的模版方法来解决通用性问题 
AbstractQueue.add
//从父类的add方法可以看到，判断队列是否满了，如果队列满了，则直接抛出一个异常
public boolean add(E e) {
    if (offer(e))
        return true;
    else
        throw new IllegalStateException("Queue full");
}
offer 方法 
add方法最终还是调用offer方法来添加数据，返回一个添加成功或者失败的布尔值反馈 这段代码做了几个事情
 1. 判断添加的数据是否为空
 2. 添加重入锁 
3. 判断队列长度，如果队列长度等于数组长度，表示满了 直接返回false  
4. 否则，直接调用enqueue将元素添加到队列中

public boolean offer(E e) {
    checkNotNull(e);//对请求数据做判断，若e为null，则抛出异常
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        if (count == items.length)//判断队列是否满了
            return false;
        else {
            enqueue(e);//加入队列
            return true;
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

enqueue ：真正的数据添加操作

private void enqueue(E x) {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[putIndex] == null;
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x;//通过putIndex对数据赋值
    if (++putIndex == items.length)//当putIndex等于数组长度时，将putIndex重置为0
        putIndex = 0;
    count++;//记录队列元素的个数
    notEmpty.signal();//唤醒处于等待状态下的线程，表示当前队列中的元素不为空，如果存在消费者线程阻塞，就可以开始取出元素

}
putIndex为什么会在等于数 组长度的时候重新设置为0？
因为ArrayBlockingQueue是一个FIFO的队列，队列添加 元素时，是从队尾获取putIndex来存储元素，当putIndex 等于数组长度时，
下次就需要从数组头部开始添加了。 
下面这个图模拟了添加到不同长度的元素时，putIndex的 变化，当putIndex等于数组长度时，不可能让putIndex继 续累加，
否则会超出数组初始化的容量大小。同时大家还 需要思考两个问题 ：
1. 当元素满了以后是无法继续添加的，因为会报错
2. 其次，队列中的元素肯定会有一个消费者线程通过take 或者其他方法来获取数据，而获取数据的同时元素也会 从队列中移除

put方法

put 方法和 add 方法功能一样，差异是 put 方法如果队列满了，会阻塞。

public void put(E e) throws InterruptedException {
　　checkNotNull(e);
　　final ReentrantLock lock = this.lock;
　　lock.lockInterruptibly();//这个也是获得锁，但
//是和 lock 的区别是，这个方法优先允许在等待时由其他线程调
//用等待线程的 interrupt 方法来中断等待直接返回。而 lock
//方法是尝试获得锁成功后才响应中断
　　try {
　　　　while (count == items.length)
　　　　notFull.await();//队列满了的情况下，当前线程将会被 notFull 条件对象挂起加到等待队列中，reentrantlock的实现原理
　　　　enqueue(e);
　　} finally {
　　　　lock.unlock();
　　}
}

take 方法
take方法是一种阻塞获取队列中元素的方法它的实现原理很简单，有就删除没有就阻塞，注意这个阻塞是可以中断的，如果队列没有数据那么就加入notEmpty 条件队列等待(有数据就直接取走，方法结束)，如果有新的 put线程添加了数据，那么put操作将会唤醒take线程，执行take操作。

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == 0)
            notEmpty.await(); //如果队列为空的情况
下，直接通过 await 方法阻塞
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    } }

如果队列中添加了元素，那么这个时候，会在enqueue中调用notempty.signal唤醒take线程来获得元素；

dequeue 方法
这个是出队列的方法，主要是删除队列头部的元素并发返回给客户端
takeIndex，是用来记录拿数据的索引值

private E dequeue() {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[takeIndex] != null;
    final Object[] items = this.items;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E x = (E) items[takeIndex];//默认获取0位置的元素
    items[takeIndex] = null;//将该位置的元素设置为空
    if (++takeIndex == items.length)//这里的作用是，如果拿到数组的最大值，那么重置为0，继续从头部位置开始获取数据
        takeIndex = 0;
    count--;//记录元素个数递减
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();//同时更新迭代器中的元素个数
    notFull.signal();//触发 因为队列满了以后导致的被阻塞的线程
    return x;
}

remove方法
remove方法是移除一个指定元素：

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) return false;
    final Object[] items = this.items;
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        if (count > 0) {//如果队列不为空
            final int putIndex = this.putIndex;//获取下一个要添加元素时的索引
            int i = takeIndex;//获取当前要被移除的元素索引
            do {
                if (o.equals(items[i])) {//从takeIndex下标开始，找到要被删除的元素
                    removeAt(i);//移除指定元素
                    return true;
                }
　　　　　　　　　　//当前删除索引执行加1后判断是否与数组长度相等
　　　　　　　　　　//若为true，说明索引已到数组尽头，将i设置为0
                if (++i == items.length)
                    i = 0;
            } while (i != putIndex);//继续查找，直到找到最后一个元素
        }
        return false;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

posted @ 2020-06-28 16:11 zpp13 阅读(280) 评论(0) 编辑收藏举报

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