多线程编程学习六(Java 中的阻塞队列).

介绍

阻塞队列（BlockingQueue）是指当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满；当队列空时，队列会阻塞获得元素的线程，直到队列变非空。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。

当线程插入/获取动作由于队列满/空阻塞后，队列也提供了一些机制去处理，或抛出异常，或返回特殊值，或者线程一直等待...

方法/处理方式	抛出异常	返回特殊值	一直阻塞	超时退出
插入方法	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e, timeout, unit)
移除方法	remove(o)	poll()	take()	poll(timeout, unit)
检查方法	element()	peek() — 不移除元素	不可用	不可用

tips： 如果是无界阻塞队列，则 put 方法永远不会被阻塞；offer 方法始终返回 true。

Java 中的阻塞队列：

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。

通过可重入的独占锁 ReentrantLock 来控制并发，Condition 来实现阻塞。

public class ArrayBlockingQueueTest {

    /**

     * 1. 由于是有界阻塞队列，需要设置初始大小

     * 2. 默认不保证阻塞线程的公平访问，可设置公平性

     */

    private static ArrayBlockingQueue<String> QUEUE = new ArrayBlockingQueue<>(2, true);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread put = new Thread(() -> {

            // 3. 尝试插入元素

            try {

                QUEUE.put("java");

                QUEUE.put("javaScript");

                // 4. 元素已满，会阻塞线程

                QUEUE.put("c++");

            } catch (InterruptedException e) {

                e.printStackTrace();

            }

        });

        put.start();

        Thread take = new Thread(() -> {

            try {

                // 5. 获取一个元素

                System.out.println(QUEUE.take());

            } catch (InterruptedException e) {

                e.printStackTrace();

            }

        });

        take.start();

        // 6 javaScript、c++

        System.out.println(QUEUE.take());

        System.out.println(QUEUE.take());

    }

}

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue 是一个用单向链表实现的有界阻塞队列。此队列的默认最大长度为 Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。Executors.newFixedThreadPool() 就使用了这个队列。

和 ArrayBlockingQueue 一样，采用 ReentrantLock 来控制并发，不同的是它使用了两个独占锁来控制消费和生产，通过 takeLock 和 putLock 两个锁来控制生产和消费，互不干扰，只要队列未满，生产线程可以一直生产；只要队列不空，消费线程可以一直消费，不会相互因为独占锁而阻塞。

tips：因为使用了双锁，避免并发计算不准确，使用了一个 AtomicInteger 变量统计元素总量。

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque 是一个由双向链表结构组成的有界阻塞队列，可以从队列的两端插入和移出元素。它实现了BlockingDeque接口，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。

LinkedBlockingDeque 的 Node 实现多了指向前一个节点的变量 prev，以此实现双向队列。并发控制上和 ArrayBlockingQueue 类似，采用单个 ReentrantLock 来控制并发。因为双端队列头尾都可以消费和生产，所以使用了一个共享锁。

双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。

public class LinkedBlockingDequeTest {

    private static LinkedBlockingDeque<String> DEQUE = new LinkedBlockingDeque<>(2);

    public static void main(String[] args) {

        DEQUE.addFirst("java");

        DEQUE.addFirst("c++");

        // java

        System.out.println(DEQUE.peekLast());

        // java

        System.out.println(DEQUE.pollLast());

        DEQUE.addLast("php");

        // c++

        System.out.println(DEQUE.pollFirst());

    }

}

tips： take() 方法调用的是 takeFirst()，使用时候需注意。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue 是一个底层由数组实现的无界阻塞队列，并带有排序功能。由于是无界队列，所以插入永远不会被阻塞。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。

底层同样采用 ReentrantLock 来控制并发，由于只有获取会阻塞，所以只采用一个Condition（只通知消费）来实现。

public class PriorityBlockingQueueTest {

    private static PriorityBlockingQueue<String> QUEUE = new PriorityBlockingQueue<>();

    public static void main(String[] args) {

        QUEUE.add("java");

        QUEUE.add("javaScript");

        QUEUE.add("c++");

        QUEUE.add("python");

        QUEUE.add("php");

        Iterator<String> it = QUEUE.iterator();

        while (it.hasNext()) {

            // c++  javaScript  java  python  php

            // 同优先级不保证排序顺序

            System.out.print(it.next() + "  ");

        }

    }

}

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（Delayed 接口的设计可以参考 ScheduledFutureTask 类），元素按延迟优先级排序，延迟时间短的排在前面，只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。

DelayQueue 中的 PriorityQueue 会对队列中的任务进行排序。排序时，time 小的排在前面（时间早的任务将被先执行）。如果两个任务的 time 相同，就比较 sequenceNumber，sequenceNumber 小的排在前面（也就是说，如果两个任务的执行时间相同，那么先提交的任务将被先执行）。

和 PriorityBlockingQueue 相似，底层也是数组，采用一个 ReentrantLock 来控制并发。

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。

public class DelayElement implements Delayed, Runnable {

    private static final AtomicLong SEQUENCER = new AtomicLong();

    /**

     * 标识元素先后顺序

     */

    private final long sequenceNumber;

    /**

     * 延迟时间，单位纳秒

     */

    private long time;

    public DelayElement(long time) {

        this.time = System.nanoTime() + time;

        this.sequenceNumber = SEQUENCER.getAndIncrement();

    }

    @Override

    public long getDelay(TimeUnit unit) {

        return unit.convert(time - System.nanoTime(), NANOSECONDS);

    }

    @Override

    public int compareTo(Delayed other) {

        // compare zero if same object

        if (other == this) {

            return 0;

        }

        if (other instanceof DelayElement) {

            DelayElement x = (DelayElement) 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;

    }

    @Override

    public void run() {

        System.out.println("sequenceNumber" + sequenceNumber);

    }

    @Override

    public String toString() {

        return "DelayElement{" + "sequenceNumber=" + sequenceNumber + ", time=" + time + '}';

    }

}

public class DelayQueueTest {

    private static DelayQueue<DelayElement> QUEUE = new DelayQueue<>();

    public static void main(String[] args) {

        // 1. 添加 10 个参数

        for (int i = 1; i < 10; i++) {

            // 2. 5 秒内随机延迟

            int nextInt = new Random().nextInt(5);

            long convert = TimeUnit.NANOSECONDS.convert(nextInt, TimeUnit.SECONDS);

            QUEUE.offer(new DelayElement(convert));

        }

        // 3. 查询元素排序 —— 延迟短的排在前面

        Iterator<DelayElement> iterator = QUEUE.iterator();

        while (iterator.hasNext()) {

            System.out.println(iterator.next());

        }

        // 4. 可观察到元素延迟输出

        while (!QUEUE.isEmpty()) {

            Thread thread = new Thread(QUEUE.poll());

            thread.start();

        }

    }

}

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一个由链表结构组成的无界阻塞TransferQueue队列。

并发控制上采用了大量的 CAS 操作，没有使用锁。

相对于其他阻塞队列，LinkedTransferQueue 多了 tryTransfer 和 transfer 方法。

transfer ： Transfers the element to a consumer, waiting if necessary to do so. 存入的元素必须等到有消费者消费才返回。
tryTransfer：Transfers the element to a waiting consumer immediately, if possible. 如果有消费者正在等待消费元素，则把传入的元素传给消费者。否则立即返回 false，不用等到消费。

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，否则继续 put 操作会被阻塞。Executors.newCachedThreadPool 就使用了这个队列。

SynchronousQueue 默认情况下线程采用非公平性策略访问队列，未使用锁，全部通过 CAS 操作来实现并发，吞吐量非常高，高于 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue，非常适合用来处理一些高效的传递性场景。Executors.newCachedThreadPool() 就使用了 SynchronousQueue 进行任务传递。

public class SynchronousQueueTest {

    private static class SynchronousQueueProducer implements Runnable {

        private BlockingQueue<String> blockingQueue;

        private SynchronousQueueProducer(BlockingQueue<String> queue) {

            this.blockingQueue = queue;

        }

        @Override

        public void run() {

            while (true) {

                try {

                    String data = UUID.randomUUID().toString();

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Put: " + data);

                    blockingQueue.put(data);

                    Thread.sleep(1000);

                } catch (InterruptedException e) {

                    e.printStackTrace();

                }

            }

        }

    }

    private static class SynchronousQueueConsumer implements Runnable {

        private BlockingQueue<String> blockingQueue;

        private SynchronousQueueConsumer(BlockingQueue<String> queue) {

            this.blockingQueue = queue;

        }

        @Override

        public void run() {

            while (true) {

                try {

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " take(): " + blockingQueue.take());

                    Thread.sleep(2000);

                } catch (InterruptedException e) {

                    e.printStackTrace();

                }

            }

        }

    }

    public static void main(String[] args) {

        final BlockingQueue<String> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>();

        SynchronousQueueProducer queueProducer = new SynchronousQueueProducer(synchronousQueue);

        new Thread(queueProducer, "producer - 1").start();

        SynchronousQueueConsumer queueConsumer1 = new SynchronousQueueConsumer(synchronousQueue);

        new Thread(queueConsumer1, "consumer — 1").start();

        SynchronousQueueConsumer queueConsumer2 = new SynchronousQueueConsumer(synchronousQueue);

        new Thread(queueConsumer2, "consumer — 2").start();

    }

}

参考书籍：《Java 并发编程的艺术》
参考博文：https://www.cnblogs.com/konck/p/9473677.html