Java并发系列 — 阻塞队列(BlockingQueue)

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Java并发系列 — 阻塞队列(BlockingQueue)

本文系《Java并发编程读书笔记》

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。

  • 支持阻塞的插入方法:当队列满时,队列会阻塞插入元素的线程,直到队列不满。
  • 支持阻塞的移除方法:当队列为空时,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,如下所示:

阻塞队列插入和移除操作的4种处理方式.png

  • 抛出异常:当队列满时,如果再往队列里插入元素,会抛出IllegalArgumentException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。

tips: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。

JDK提供的阻塞队列

JDK 8提供的阻塞队列.png

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的原则对元素进行排序。构造方法如下:

public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
    this(capacity, false);
}

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();
}

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
                          Collection<? extends E> c) {
    this(capacity, fair);

    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock(); // Lock only for visibility, not mutual exclusion
    try {
        int i = 0;
        try {
            for (E e : c) {
                checkNotNull(e);
                items[i++] = e;
            }
        } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        count = i;
        putIndex = (i == capacity) ? 0 : i;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
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参数fair用于设置线程是否公平访问队列。所谓公平访问是指阻塞的线程,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。

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。

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来进行排序。需要注意的是不能保证同优先级元素的顺序。

DelayQueue

DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用PriorityBlockingQueue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。
  • 任务超时处理:比如下单后15分钟内未付款,自动关闭订单。

如何实现Delayed接口

DelayQueue队列的元素必须实现Delayed接口。可以参考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask类的实现,步骤如下:

  1. 在对象创建的对象,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();
    
    ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns) {
        super(r, result);
        this.time = ns;
        this.period = 0;
        this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
    }
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  2. 实现getDelay方法,该方法返回当前元素还需要延长多长时间,单位是纳秒。代码如下:

     public long getDelay(TimeUnit unit) {
         return unit.convert(time - now(), NANOSECONDS);
     }
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    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,实现getDelay()方法时可以指定任意单位,一旦以秒或分作为单位,而延时时间精确不到纳秒就麻烦了。使用时注意当time小于当前时间时,getDelay会返回负数。

  3. 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。代码如下

    public int compareTo(Delayed other) {
           if (other == this) // compare zero 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 diff = getDelay(NANOSECONDS) - other.getDelay(NANOSECONDS);
           return (diff < 0) ? -1 : (diff > 0) ? 1 : 0;
    }
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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。

private Thread leader = null;
   
private final Condition available = lock.newCondition();

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        for (;;) {
            E first = q.peek();
            if (first == null)
                available.await();
            else {
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                if (delay <= 0)
                    return q.poll();
                first = null; // don't retain ref while waiting
                if (leader != null)
                    available.await();
                else {
                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
                    leader = thisThread;
                    try {
                        available.awaitNanos(delay);
                    } finally {
                        if (leader == thisThread)
                            leader = null;
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
        if (leader == null && q.peek() != null)
            available.signal();
        lock.unlock();
    }
}
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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。构造函数如下:

public SynchronousQueue() {
    this(false);
}

public SynchronousQueue(boolean fair) {
    transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>();
}
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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。

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。

  • 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了才返回。

  • tryTransfer方法

    tryTransfer方法时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fasle。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。

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addFirstaddLastofferFirstofferLastpeekFirstpeekLast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、获取或移除双向队列的最后一个元素。

阻塞队列原理

如果队列是空的,消费者会一直等待,当生产者添加元素时,消费者是如何知道当前队列有元素的呢?JDK使用通知模式实现的。所谓通知模式,就是当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞主生产者,当消息者消费了一个队列中的元素后,会通知生产者当前队列可用。

ArrayBlockingQueue使用Condition来实现,代码如下

private final Condition notEmpty;

private final Condition notFull;

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == 0) // 队列为空时,阻塞当前消费者
            notEmpty.await();
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

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();
    }
}

private void enqueue(E x) {
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x;
    if (++putIndex == items.length)
          putIndex = 0;
     count++;
     notEmpty.signal(); // 队列不为空时,通知消息者获取元素
}
复制代码

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