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Java 中的阻塞隊列
該博客轉載自?方騰飛?的?聊聊并發（七）——Java 中的阻塞隊列
1. 什么是阻塞隊列？
阻塞隊列（BlockingQueue）是一個支持兩個附加操作的隊列。這兩個附加的操作是：在隊列為空時，獲取元素的線程會等待隊列變為非空。當隊列滿時，存儲元素的線程會等待隊列可用。阻塞隊列常用于生產者和消費者的場景，生產者是往隊列里添加元素的線程，消費者是從隊列里拿元素的線程。阻塞隊列就是生產者存放元素的容器，而消費者也只從容器里拿元素。
阻塞隊列提供了四種處理方法:
| 方法\處理方式 | 拋出異常 | 返回特殊值 | 一直阻塞 | 超時退出 |
|---|---|---|---|---|
| 插入方法 | add(e) | offer(e) | put(e) | offer(e,time,unit) |
| 移除方法 | remove() | poll() | take() | poll(time,unit) |
| 檢查方法 | element() | peek() | 不可用 | 不可用 |
- 拋出異常：是指當阻塞隊列滿時候，再往隊列里插入元素，會拋出
IllegalStateException("Queue full")異常。當隊列為空時，從隊列里獲取元素時會拋出NoSuchElementException異常 。 - 返回特殊值：插入方法會返回是否成功，成功則返回 true。移除方法，則是從隊列里拿出一個元素，如果沒有則返回 null
- 一直阻塞：當阻塞隊列滿時，如果生產者線程往隊列里 put 元素，隊列會一直阻塞生產者線程，直到拿到數據，或者響應中斷退出。當隊列空時，消費者線程試圖從隊列里 take 元素，隊列也會阻塞消費者線程，直到隊列可用。
- 超時退出：當阻塞隊列滿時，隊列會阻塞生產者線程一段時間，如果超過一定的時間，生產者線程就會退出。
2. Java 里的阻塞隊列
JDK7 提供了 7 個阻塞隊列。分別是
ArrayBlockingQueue：一個由數組結構組成的有界阻塞隊列。LinkedBlockingQueue：一個由鏈表結構組成的有界阻塞隊列。PriorityBlockingQueue：一個支持優先級排序的無界阻塞隊列。DelayQueue：一個使用優先級隊列實現的無界阻塞隊列。SynchronousQueue：一個不存儲元素的阻塞隊列。LinkedTransferQueue：一個由鏈表結構組成的無界阻塞隊列。LinkedBlockingDeque：一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。
ArrayBlockingQueue 是一個用數組實現的有界阻塞隊列。此隊列按照先進先出（FIFO）的原則對元素進行排序。默認情況下不保證訪問者公平的訪問隊列，所謂公平訪問隊列是指阻塞的所有生產者線程或消費者線程，當隊列可用時，可以按照阻塞的先后順序訪問隊列，即先阻塞的生產者線程，可以先往隊列里插入元素，先阻塞的消費者線程，可以先從隊列里獲取元素。通常情況下為了保證公平性會降低吞吐量。我們可以使用以下代碼創建一個公平的阻塞隊列：
ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);
訪問者的公平性是使用可重入鎖實現的，代碼如下：
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();
}
LinkedBlockingQueue 是一個用鏈表實現的有界阻塞隊列。此隊列的默認和最大長度為 Integer.MAX_VALUE。此隊列按照先進先出的原則對元素進行排序。
PriorityBlockingQueue 是一個支持優先級的無界隊列。默認情況下元素采取自然順序排列，也可以通過比較器 comparator 來指定元素的排序規則。元素按照升序排列。
DelayQueue 是一個支持延時獲取元素的無界阻塞隊列。隊列使用 PriorityQueue 來實現。隊列中的元素必須實現 Delayed 接口，在創建元素時可以指定多久才能從隊列中獲取當前元素。只有在延遲期滿時才能從隊列中提取元素。我們可以將 DelayQueue 運用在以下應用場景：
- 緩存系統的設計：可以用 DelayQueue 保存緩存元素的有效期，使用一個線程循環查詢 DelayQueue，一旦能從 DelayQueue 中獲取元素時，表示緩存有效期到了。
- 定時任務調度。使用 DelayQueue 保存當天將會執行的任務和執行時間，一旦從 DelayQueue 中獲取到任務就開始執行，從比如 TimerQueue 就是使用 DelayQueue 實現的。
隊列中的 Delayed 必須實現 compareTo 來指定元素的順序。比如讓延時時間最長的放在隊列的末尾。實現代碼如下：
public int compareTo(Delayed other) {
if (other == this) // compare zero ONLY 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 d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -
other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
}
如何實現 Delayed 接口
我們可以參考 ScheduledThreadPoolExecutor 里 ScheduledFutureTask 類。這個類實現了 Delayed 接口。首先：在對象創建的時候，使用 time 記錄前對象什么時候可以使用，代碼如下：
ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
super(r, result);
this.time = ns;
this.period = period;
this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}
然后使用 getDelay 可以查詢當前元素還需要延時多久，代碼如下：
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
}
通過構造函數可以看出延遲時間參數 ns 的單位是納秒，自己設計的時候最好使用納秒，因為 getDelay 時可以指定任意單位，一旦以納秒作為單位，而延時的時間又精確不到納秒就麻煩了。使用時請注意當 time 小于當前時間時，getDelay 會返回負數。
如何實現延時隊列
延時隊列的實現很簡單，當消費者從隊列里獲取元素時，如果元素沒有達到延時時間，就阻塞當前線程。
long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
if (delay <= 0)
return q.poll();
else if (leader != null)
available.await();
SynchronousQueue 是一個不存儲元素的阻塞隊列。每一個 put 操作必須等待一個 take 操作，否則不能繼續添加元素。SynchronousQueue 可以看成是一個傳球手，負責把生產者線程處理的數據直接傳遞給消費者線程。隊列本身并不存儲任何元素，非常適合于傳遞性場景, 比如在一個線程中使用的數據，傳遞給另外一個線程使用，SynchronousQueue 的吞吐量高于 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。
LinkedTransferQueue 是一個由鏈表結構組成的無界阻塞 TransferQueue 隊列。相對于其他阻塞隊列，LinkedTransferQueue 多了 tryTransfer 和 transfer 方法。
transfer 方法。如果當前有消費者正在等待接收元素（消費者使用 take() 方法或帶時間限制的 poll() 方法時），transfer 方法可以把生產者傳入的元素立刻 transfer（傳輸）給消費者。如果沒有消費者在等待接收元素，transfer 方法會將元素存放在隊列的 tail 節點，并等到該元素被消費者消費了才返回。transfer 方法的關鍵代碼如下：
Node pred = tryAppend(s, haveData);
return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);
第一行代碼是試圖把存放當前元素的 s 節點作為 tail 節點。第二行代碼是讓 CPU 自旋等待消費者消費元素。因為自旋會消耗 CPU，所以自旋一定的次數后使用 Thread.yield() 方法來暫停當前正在執行的線程，并執行其他線程。
tryTransfer 方法。則是用來試探下生產者傳入的元素是否能直接傳給消費者。如果沒有消費者等待接收元素，則返回 false。和 transfer 方法的區別是 tryTransfer 方法無論消費者是否接收，方法立即返回。而 transfer 方法是必須等到消費者消費了才返回。
對于帶有時間限制的 tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit) 方法，則是試圖把生產者傳入的元素直接傳給消費者，但是如果沒有消費者消費該元素則等待指定的時間再返回，如果超時還沒消費元素，則返回 false，如果在超時時間內消費了元素，則返回 true。
LinkedBlockingDeque 是一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。所謂雙向隊列指的你可以從隊列的兩端插入和移出元素。雙端隊列因為多了一個操作隊列的入口，在多線程同時入隊時，也就減少了一半的競爭。相比其他的阻塞隊列，LinkedBlockingDeque 多了 addFirst，addLast，offerFirst，offerLast，peekFirst，peekLast 等方法，以 First 單詞結尾的方法，表示插入，獲取（peek）或移除雙端隊列的第一個元素。以 Last 單詞結尾的方法，表示插入，獲取或移除雙端隊列的最后一個元素。另外插入方法 add 等同于 addLast，移除方法 remove 等效于 removeFirst。但是 take 方法卻等同于 takeFirst，不知道是不是 Jdk 的 bug，使用時還是用帶有 First 和 Last 后綴的方法更清楚。
在初始化 LinkedBlockingDeque 時可以設置容量防止其過渡膨脹。另外雙向阻塞隊列可以運用在“工作竊取”模式中。
3. 阻塞隊列的實現原理
如果隊列是空的，消費者會一直等待，當生產者添加元素時候，消費者是如何知道當前隊列有元素的呢？如果讓你來設計阻塞隊列你會如何設計，讓生產者和消費者能夠高效率的進行通訊呢？讓我們先來看看 JDK 是如何實現的。
使用通知模式實現。所謂通知模式，就是當生產者往滿的隊列里添加元素時會阻塞住生產者，當消費者消費了一個隊列中的元素后，會通知生產者當前隊列可用。通過查看 JDK 源碼發現 ArrayBlockingQueue 使用了 Condition 來實現，代碼如下：
private final Condition notFull;
private final Condition notEmpty;
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
// 省略其他代碼
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}
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();
}
}
private void insert(E x) {
items[putIndex] = x;
putIndex = inc(putIndex);
++count;
notEmpty.signal();
}
當我們往隊列里插入一個元素時，如果隊列不可用，阻塞生產者主要通過 LockSupport.park(this); 來實現
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
繼續進入源碼，發現調用 setBlocker 先保存下將要阻塞的線程，然后調用 unsafe.park 阻塞當前線程。
public static void park(Object blocker) {
Thread t = Thread.currentThread();
setBlocker(t, blocker);
unsafe.park(false, 0L);
setBlocker(t, null);
}
unsafe.park 是個 native 方法，代碼如下：
public native void park(boolean isAbsolute, long time);
park 這個方法會阻塞當前線程，只有以下四種情況中的一種發生時，該方法才會返回。
- 與 park 對應的 unpark 執行或已經執行時。注意：已經執行是指 unpark 先執行，然后再執行的 park。
- 線程被中斷時。
- 如果參數中的 time 不是零，等待了指定的毫秒數時。
- 發生異常現象時。這些異常事先無法確定。
我們繼續看一下 JVM 是如何實現 park 方法的，park 在不同的操作系統使用不同的方式實現，在 linux 下是使用的是系統方法 pthread_cond_wait 實現。實現代碼在 JVM 源碼路徑 src/os/linux/vm/os_linux.cpp 里的 os::PlatformEvent::park 方法，代碼如下：
void os::PlatformEvent::park() {
int v ;
for (;;) {
v = _Event ;
if (Atomic::cmpxchg (v-1, &_Event, v) == v) break ;
}
guarantee (v >= 0, "invariant") ;
if (v == 0) {
// Do this the hard way by blocking ...
int status = pthread_mutex_lock(_mutex);
assert_status(status == 0, status, "mutex_lock");
guarantee (_nParked == 0, "invariant") ;
++ _nParked ;
while (_Event < 0) {
status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);
// for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ...
// Treat this the same as if the wait was interrupted
if (status == ETIME) { status = EINTR; }
assert_status(status == 0 || status == EINTR, status, "cond_wait");
}
-- _nParked ;
// In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(),
// but then we'd need a MEMBAR after the ST.
_Event = 0 ;
status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
assert_status(status == 0, status, "mutex_unlock");
}
guarantee (_Event >= 0, "invariant") ;
}
}
pthread_cond_wait 是一個多線程的條件變量函數，cond 是 condition 的縮寫，字面意思可以理解為線程在等待一個條件發生，這個條件是一個全局變量。這個方法接收兩個參數，一個共享變量 _cond，一個互斥量 _mutex。而 unpark 方法在 linux 下是使用 pthread_cond_signal 實現的。park 在 windows 下則是使用 WaitForSingleObject 實現的。
當隊列滿時，生產者往阻塞隊列里插入一個元素，生產者線程會進入 WAITING (parking) 狀態。我們可以使用 jstack dump 阻塞的生產者線程看到這點：
"main" prio=5 tid=0x00007fc83c000000 nid=0x10164e000 waiting on condition [0x000000010164d000]
java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
- parking to wait for <0x0000000140559fe8> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject)
at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186)
at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2043)
at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.put(ArrayBlockingQueue.java:324)
at blockingqueue.ArrayBlockingQueueTest.main(ArrayBlockingQueueTest.java:11)
浙公網安備 33010602011771號