java并发编程学习: 阻塞队列 使用 及 实现原理
队列(Queue)与栈(Stack)是数据结构中的二种常用结构,队列的特点是先进先出(First In First Out),而Stack是先进后出(First In Last Out),说得通俗点:Queue就是电影院入场时人们排起来的进场队伍,先来的人(即:前排在前面的人)先入场,而Statck则是一队人依次进入了一个死胡同想出来,先进去(最里面)的人,必须等后面的人(后进入的人)出来了,自己才能出来。
队列在多线程应用中,常用于生产-消费场景,打个通俗的比方:很多人早上喜欢去买油条,买油条的人相当于消费者,做油条的师傅则是生产者。而油锅边上用于放油条的铁架子,可以看成一个共享的队列,师傅做好油条后,一根一根的捞出来放在架子上,而顾客则按排队的顺序一根根的付好钱从架子上拿。 即:队列的一头,不断有人在放入东西(生产元素),另一头不断有人的消费(拿走元素)。这里就有一个很有趣的现象,如果买的人多,师傅来不及做,那么第一个顾客就会一直等着(后面的所有人也得等着,或称为阻塞了后面的人),直到师傅炸好一根,然后第一个顾客买完走了,后面的人才能顶上来,类似的道理,如果架子放满了,没有人来买,师傅就会停下来,等有人来买了,才会继续做,这就是所谓的队列阻塞,而能产生阻塞行为的队列称为阻塞队列。
从刚才的描述可以看出,发生阻塞起码得满足下面至少一个条件: (前提:队列是有界的)
1.从队列里取元素时,如果队列为空,则代码一直等在这里(即阻塞),直到队列里有东西了,拿到元素了,后面的代码才能继续
2.向队列里放元素时,如果队列满了(即放不下更多元素),则代码也会卡住,直到队列里的东西被取走了(即:有空位可以放新元素了),后面的代码才能继续
JDK7提供了以下7个阻塞队列:
ArrayBlockingQueue :由数组结构组成的有界阻塞队列。
LinkedBlockingQueue :由链表结构组成的有界阻塞队列。
PriorityBlockingQueue :支持优先级排序的无界阻塞队列。
DelayQueue:使用优先级队列实现的无界阻塞队列。
SynchronousQueue:不存储元素的阻塞队列。
LinkedTransferQueue:链表结构组成的无界阻塞队列。
LinkedBlockingDeque:链表结构组成的双向阻塞队列。
阻塞队列提供了下列四种处理方法:
方法\处理方式 | 抛出异常 | 返回true/false | 一直阻塞 | 超时退出 |
---|---|---|---|---|
插入方法 | add(e) | offer(e) | put(e) | offer(e,time,unit) |
移除方法 | remove() | poll() | take() | poll(time,unit) |
检查方法 | element() | peek() |
这4类方法中,在队列已满(或为空)的情况下,有些会抛出异常,有些则返回true/false,有些则一直阻塞,还有些则可以设置超时时间,时间到了后,自动退出阻塞状态,实际项目中可根据需要选取适合的方法。
下面是一个基本示例:
模拟了买油条的场景,1个老板在做油条,3个顾客在排队买
package yjmyzz.test; import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; public class BlockingQueueTest { private static final int queueSize = 3;
private static final ArrayBlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(queueSize);
private static final int produceSpeed = 2000;//生产速度(越小越快)
private static final int consumeSpeed = 10;//消费速度(越小越快) public static void main(String[] args) {
Thread producer = new Producer();
Thread consumer = new Consumer();
producer.start();
consumer.start();
} static class Producer extends Thread {
public void run() {
while (true) {
try {
System.out.println("老板准备炸油条了,架子上还能放:" + (queueSize - queue.size()) + "根油条");
queue.put("1根油条");
System.out.println("老板炸好了1根油条,架子上还能放:" + (queueSize - queue.size()) + "根油条");
Thread.sleep(produceSpeed);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
} static class Consumer extends Thread {
public void run() {
while (true) {
try {
System.out.println("A 准备买油条了,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
queue.take();
System.out.println("A 买到1根油条,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
Thread.sleep(consumeSpeed); System.out.println("B 准备买油条了,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
queue.take();
System.out.println("B 买到1根油条,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
Thread.sleep(consumeSpeed); System.out.println("C 准备买油条了,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
queue.take();
System.out.println("C 买到1根油条,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
Thread.sleep(consumeSpeed);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
输出:(只取了前几行)
老板准备炸油条了,架子上还能放:3根油条
老板炸好了1根油条,架子上还能放:2根油条
A 准备买油条了,架子上还剩1根油条
A 买到1根油条,架子上还剩0根油条
B 准备买油条了,架子上还剩0根油条
老板准备炸油条了,架子上还能放:3根油条
老板炸好了1根油条,架子上还能放:2根油条
B 买到1根油条,架子上还剩0根油条
C 准备买油条了,架子上还剩0根油条
...
观察5-8行,因为消费的速度远大于生产速度,即:生意太好,老板来不及做。B要买油条时,发现卖完了,只能等老板再做一根出来,后面的C才有机会继续购买。
这是一个很有意思的程序,可以把生产速度与消费速度值对换,输出结果如下:
老板准备炸油条了,架子上还能放:3根油条
老板炸好了1根油条,架子上还能放:2根油条
A 准备买油条了,架子上还剩1根油条
A 买到1根油条,架子上还剩0根油条
老板准备炸油条了,架子上还能放:3根油条
老板炸好了1根油条,架子上还能放:2根油条
老板准备炸油条了,架子上还能放:2根油条
老板炸好了1根油条,架子上还能放:1根油条
老板准备炸油条了,架子上还能放:1根油条
老板炸好了1根油条,架子上还能放:0根油条
老板准备炸油条了,架子上还能放:0根油条
B 准备买油条了,架子上还剩3根油条
B 买到1根油条,架子上还剩2根油条
老板炸好了1根油条,架子上还能放:0根油条
老板准备炸油条了,架子上还能放:0根油条
C 准备买油条了,架子上还剩3根油条
C 买到1根油条,架子上还剩2根油条
老板炸好了1根油条,架子上还能放:0根油条
老板准备炸油条了,架子上还能放:0根油条
A 准备买油条了,架子上还剩3根油条
A 买到1根油条,架子上还剩2根油条
老板炸好了1根油条,架子上还能放:0根油条
老板准备炸油条了,架子上还能放:0根油条
因为生产速度远大于消费速度,即:生意不好,油条做得比卖得快。观察一下5-11行,老板卯足了劲做,但是这时一直没人来买。然后12-13行,终于来了一个客户B买了一根,然后老板又要开始做(14-15行),发现架子上放满了,不得不停下,等C再买一根(16-17行),才能继续做(18行)
实现原理:
聊聊并发(七)——Java中的阻塞队列 一文中已经对ArrayBlockingQueue的源码进行比较详细的分析了,这里只贴几段主要的代码,体会一下思想:
/** Main lock guarding all access */
final ReentrantLock lock; /** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty; /** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;
这3个变量很重要,ReentrantLock重入锁,notEmpty检查不为空的Condition 以及 notFull用来检查队列未满的Condition
Condition是一个接口,里面有二个重要的方法:
await() : Causes the current thread to wait until it is signalled or interrupted. 即阻塞当前线程,直到被通知(唤醒)或中断
singal(): Wakes up one waiting thread. 唤醒阻塞的线程
再来看put方法:(jdk 1.8)
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();
}
}
1.先获取锁
2.然后用while循环检测元素个数是否等于items长度,如果相等,表示队列满了,调用notFull的await()方法阻塞线程
3.否则调用enqueue()方法添加元素
4.最后解锁
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();
}
这是添加元素的代码(jdk 1.8),注意最后一行notEmpty.signal()方法,表示添加完元素后,调用singal()通知等待(从队列中取元素)的线程,队列不空(有值)啦,可以来取东西了。
类似的take()与dequeue()方法则相当于逆过程(注:同样都是jdk 1.8)
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
类似的:
1. 先加锁
2. 如果元素个数为空,表示队列已空,调用notEmpty的await()阻塞线程,直接队列里又有新元素加入为止
3. 然后调用dequeue 从队列里删除元素
4. 解锁
dequeue方法:
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;
}
倒数第2行,元素移除后,调用notFull.singnal唤醒等待(向队列添加元素的)线程,队列有空位了,可以向里面添加元素了。
参考文章:
http://ifeve.com/java-blocking-queue/
http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3932906.html
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