java多线程-BlockingQueue

• BlockingQueue简介

　　ArrayBlockingQueue：基于数组实现的一个阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须制定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间最长的队列最优先能够访问队列。

　　LinkedBlockingQueue：基于链表实现的一个阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE，每次插入后都将动态地创建链接节点。

　　PriorityBlockingQueue：以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue却不是，它会按照元素的优先级对元素进行排序，按照优先级顺序出队，每次出队的元素都是优先级最高的元素，依据对象的自然排序顺序或者是构造函数所带的Comparator决定的顺序。注意，此阻塞队列为无界阻塞队列，即容量没有上限（通过源码就可以知道，它没有容器满的信号标志），前面2种都是有界队列。

　　DelayQueue：基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，DelayQueue中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻塞。

　　SynchronousQueue：特殊的BlockingQueue，对其的操作必须是放和取交替完成的。其中每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作 ，反之亦然。

• BlockingQueue内容

　　BlockingQueue主要方法：

	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

　　对于非阻塞队列，一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法，不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意，非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。

• BlockingQueue实现原理

　　以ArrayBlockingQueue为例，查看其源代码，其中主要包含以下对象：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;

    /** 数组对象，用于放置对象 */
    final Object[] items;

    /** put, offer, or add方法放入数组的索引 */
    int putIndex;

    /**  take, poll, peek or remove方法取出数据的数组索引 */
    int takeIndex;
    /** queue队列的总数 */
    int count;

    /**可重入锁，控制并发*/
    final ReentrantLock lock;
    /** 非空信号量，可以取数*/
    private final Condition notEmpty;
    /** 非满信号量，可以放数 */
    private final Condition notFull;
}

　　下面主要介绍下put()和take()方法，来观察其同步的实现：

 public void put(E e) throws InterruptedException {
         checkNotNull(e);
         final ReentrantLock lock = this.lock;
         lock.lockInterruptibly();
         try {
             while (count == items.length)
                 notFull.await();
             insert(e);
         } finally {
             lock.unlock();
         }
 }

 public E take() throws InterruptedException {
         final ReentrantLock lock = this.lock;
         lock.lockInterruptibly();
         try {
             while (count == 0)
                 notEmpty.await();
             return extract();
         } finally {
             lock.unlock();
         }
     }

　　大家应该明白了阻塞队列的实现原理，事实它和我们用Object.wait()、Object.notify()和非阻塞队列实现生产者-消费者的思路类似，只不过它把这些工作一起集成到了阻塞队列中实现。并且在前面Condition中我们也模拟实现了一个阻塞队列，实现与其大同小异。

• BlockingQueue应用

　　1：启动两个线程实现互斥等待：

 public class BlockingQueueTest {
     public static void main(String[] args) {
         final BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(3);
         for (int i = 0; i < 2; i++) {
             new Thread(new Runnable() {
                 @Override
                 public void run() {
                     while (true) {
                         System.out.println("Thread "+Thread.currentThread().getName()+"正在准备放入数据");
                         try {
                             //模拟线程的放数速度
                             Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                         } catch (InterruptedException e) {
                             // TODO Auto-generated catch block
                             e.printStackTrace();
                         }
                         try {
                             queue.put(1);
                         } catch (InterruptedException e) {
                             // TODO Auto-generated catch block
                             e.printStackTrace();
                         }
                         System.out.println("Thread "+Thread.currentThread().getName()+"放入数据,此时队列中的数据为："+queue.size());
                     }
                 }
             }).start();
             new Thread(new Runnable() {
                 @Override
                 public void run() {
                     while (true) {
                         System.out.println("Thread "+Thread.currentThread().getName()+"正在取得数据");
                         try {
                             //模拟线程的去数速度
                             Thread.sleep(100);
                         } catch (InterruptedException e) {
                             // TODO Auto-generated catch block
                             e.printStackTrace();
                         }
                         try {
                             queue.take();
                         } catch (InterruptedException e) {
                             // TODO Auto-generated catch block
                             e.printStackTrace();
                         }
                         System.out.println("Thread "+Thread.currentThread().getName()+"取得数据,此时队列中的数据为："+queue.size());
                     }
                 }
             }).start();
         }

     }
 }

　　2：前面介绍传统线程通信中，主线程和子线程交替运行，现在以阻塞队列来实现。

 public class BlockingQueueCommunication {
     public static void main(String[] args) {
         final Business business = new Business();
         new Thread(new Runnable() {

             @Override
             public void run() {
                 // TODO Auto-generated method stub
                 for (int i = 0; i < 50; i++) {
                     try {
                         business.sub(i);
                     } catch (InterruptedException e) {
                         // TODO Auto-generated catch block
                         e.printStackTrace();
                     }
                 }
             }
         }).start();
         for (int i = 0; i < 50; i++) {
             try {
                 business.main(i);
             } catch (InterruptedException e) {
                 // TODO Auto-generated catch block
                 e.printStackTrace();
             }
         }
     }
     static class Business{
         BlockingQueue<Integer> queue1 = new ArrayBlockingQueue<Integer>(1);
         BlockingQueue<Integer> queue2 = new ArrayBlockingQueue<Integer>(1);
         {
             try {
                 queue2.put(1);//保证queue2阻塞
             } catch (InterruptedException e) {
                 // TODO Auto-generated catch block
                 e.printStackTrace();
             }
         }

         public void main(int i) throws InterruptedException{
             queue1.put(1);//阻塞queue1
             for (int j = 0; j < 100; j++) {
                 System.out.println("main thread is looping of "+j +" in " + i);
             }
             queue2.take();//唤醒queue2
         }
         public void sub(int i) throws InterruptedException{
             queue2.put(1);//阻塞queue2
             for (int j = 0; j < 10; j++) {
                 System.out.println("sub thread is looping of "+j +" in " + i);
             }
             queue1.take();//唤醒queue1
         }
     }
 }

　　BlockingQueue实现了线程同步，不可在方法中再次加入同步限制，否则会出现死锁。

　　3：在API中有一个阻塞对象实现生产者和消费者的例子

 class Producer implements Runnable {
    private final BlockingQueue queue;
    Producer(BlockingQueue q) { queue = q; }
    public void run() {
      try {
        while(true) { queue.put(produce()); }
      } catch (InterruptedException ex) { ... handle ...}
    }
    Object produce() { ... }
  }

  class Consumer implements Runnable {
    private final BlockingQueue queue;
    Consumer(BlockingQueue q) { queue = q; }
    public void run() {
      try {
        while(true) { consume(queue.take()); }
      } catch (InterruptedException ex) { ... handle ...}
    }
    void consume(Object x) { ... }
  }

  class Setup {
    void main() {
      BlockingQueue q = new SomeQueueImplementation();
      Producer p = new Producer(q);
      Consumer c1 = new Consumer(q);
      Consumer c2 = new Consumer(q);
      new Thread(p).start();
      new Thread(c1).start();
      new Thread(c2).start();
    }
  }

　　使用阻塞队列代码要简单得多，不需要再单独考虑同步和线程间通信的问题。

　　在并发编程中，一般推荐使用阻塞队列，这样实现可以尽量地避免程序出现意外的错误。

　　阻塞队列使用最经典的场景就是socket客户端数据的读取和解析，读取数据的线程不断将数据放入队列，然后解析线程不断从队列取数据解析。还有其他类似的场景，只要符合生产者-消费者模型的都可以使用阻塞队列。

　　参考资料：http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3932906.html

　　　　　　　javaAPI