Java并發編程：阻塞隊列

　　在前面幾篇文章中，我們討論了同步容器(Hashtable、Vector），也討論了并發容器（ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList），這些工具都為我們編寫多線程程序提供了很大的方便。今天我們來討論另外一類容器：阻塞隊列。

　　在前面我們接觸的隊列都是非阻塞隊列，比如PriorityQueue、LinkedList（LinkedList是雙向鏈表，它實現了Dequeue接口）。

　　使用非阻塞隊列的時候有一個很大問題就是：它不會對當前線程產生阻塞，那么在面對類似消費者-生產者的模型時，就必須額外地實現同步策略以及線程間喚醒策略，這個實現起來就非常麻煩。但是有了阻塞隊列就不一樣了，它會對當前線程產生阻塞，比如一個線程從一個空的阻塞隊列中取元素，此時線程會被阻塞直到阻塞隊列中有了元素。當隊列中有元素后，被阻塞的線程會自動被喚醒（不需要我們編寫代碼去喚醒）。這樣提供了極大的方便性。

　　本文先講述一下java.util.concurrent包下提供主要的幾種阻塞隊列，然后分析了阻塞隊列和非阻塞隊列的中的各個方法，接著分析了阻塞隊列的實現原理，最后給出了一個實際例子和幾個使用場景。

　　一.幾種主要的阻塞隊列

　　二.阻塞隊列中的方法 VS 非阻塞隊列中的方法

　　三.阻塞隊列的實現原理

　　四.示例和使用場景

　　若有不正之處請多多諒解，并歡迎批評指正。

　　請尊重作者勞動成果，轉載請標明原文鏈接：

　　http://www.rzrgm.cn/dolphin0520/p/3932906.html

一.幾種主要的阻塞隊列

　　自從Java 1.5之后，在java.util.concurrent包下提供了若干個阻塞隊列，主要有以下幾個：

　　ArrayBlockingQueue：基于數組實現的一個阻塞隊列，在創建ArrayBlockingQueue對象時必須制定容量大小。并且可以指定公平性與非公平性，默認情況下為非公平的，即不保證等待時間最長的隊列最優先能夠訪問隊列。

　　LinkedBlockingQueue：基于鏈表實現的一個阻塞隊列，在創建LinkedBlockingQueue對象時如果不指定容量大小，則默認大小為Integer.MAX_VALUE。

　　PriorityBlockingQueue：以上2種隊列都是先進先出隊列，而PriorityBlockingQueue卻不是，它會按照元素的優先級對元素進行排序，按照優先級順序出隊，每次出隊的元素都是優先級最高的元素。注意，此阻塞隊列為無界阻塞隊列，即容量沒有上限（通過源碼就可以知道，它沒有容器滿的信號標志），前面2種都是有界隊列。

　　DelayQueue：基于PriorityQueue，一種延時阻塞隊列，DelayQueue中的元素只有當其指定的延遲時間到了，才能夠從隊列中獲取到該元素。DelayQueue也是一個無界隊列，因此往隊列中插入數據的操作（生產者）永遠不會被阻塞，而只有獲取數據的操作（消費者）才會被阻塞。

二.阻塞隊列中的方法 VS 非阻塞隊列中的方法

1.非阻塞隊列中的幾個主要方法：

　　add(E e):將元素e插入到隊列末尾，如果插入成功，則返回true；如果插入失敗（即隊列已滿），則會拋出異常；

　　remove()：移除隊首元素，若移除成功，則返回true；如果移除失敗（隊列為空），則會拋出異常；

　　offer(E e)：將元素e插入到隊列末尾，如果插入成功，則返回true；如果插入失敗（即隊列已滿），則返回false；

　　poll()：移除并獲取隊首元素，若成功，則返回隊首元素；否則返回null；

　　peek()：獲取隊首元素，若成功，則返回隊首元素；否則返回null

　　對于非阻塞隊列，一般情況下建議使用offer、poll和peek三個方法，不建議使用add和remove方法。因為使用offer、poll和peek三個方法可以通過返回值判斷操作成功與否，而使用add和remove方法卻不能達到這樣的效果。注意，非阻塞隊列中的方法都沒有進行同步措施。

2.阻塞隊列中的幾個主要方法：

　　阻塞隊列包括了非阻塞隊列中的大部分方法，上面列舉的5個方法在阻塞隊列中都存在，但是要注意這5個方法在阻塞隊列中都進行了同步措施。除此之外，阻塞隊列提供了另外4個非常有用的方法：

　　put(E e)

　　take()

　　offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)

　　poll(long timeout, TimeUnit unit)

　　put方法用來向隊尾存入元素，如果隊列滿，則等待；

　　take方法用來從隊首取元素，如果隊列為空，則等待；

　　offer方法用來向隊尾存入元素，如果隊列滿，則等待一定的時間，當時間期限達到時，如果還沒有插入成功，則返回false；否則返回true；

　　poll方法用來從隊首取元素，如果隊列空，則等待一定的時間，當時間期限達到時，如果取到，則返回null；否則返回取得的元素；

三.阻塞隊列的實現原理

　　前面談到了非阻塞隊列和阻塞隊列中常用的方法，下面來探討阻塞隊列的實現原理，本文以ArrayBlockingQueue為例，其他阻塞隊列實現原理可能和ArrayBlockingQueue有一些差別，但是大體思路應該類似，有興趣的朋友可自行查看其他阻塞隊列的實現源碼。

　　首先看一下ArrayBlockingQueue類中的幾個成員變量：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {

private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;

/** The queued items  */
private final E[] items;
/** items index for next take, poll or remove */
private int takeIndex;
/** items index for next put, offer, or add. */
private int putIndex;
/** Number of items in the queue */
private int count;

/*
* Concurrency control uses the classic two-condition algorithm
* found in any textbook.
*/

/** Main lock guarding all access */
private final ReentrantLock lock;
/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;
/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;
}

　　可以看出，ArrayBlockingQueue中用來存儲元素的實際上是一個數組，takeIndex和putIndex分別表示隊首元素和隊尾元素的下標，count表示隊列中元素的個數。

　　lock是一個可重入鎖，notEmpty和notFull是等待條件。

　　下面看一下ArrayBlockingQueue的構造器，構造器有三個重載版本：

public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {

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

　　第一個構造器只有一個參數用來指定容量，第二個構造器可以指定容量和公平性，第三個構造器可以指定容量、公平性以及用另外一個集合進行初始化。

　　然后看它的兩個關鍵方法的實現：put()和take()：

public void put(E e) throws InterruptedException {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    final E[] items = this.items;
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        try {
            while (count == items.length)
                notFull.await();
        } catch (InterruptedException ie) {
            notFull.signal(); // propagate to non-interrupted thread
            throw ie;
        }
        insert(e);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

　　從put方法的實現可以看出，它先獲取了鎖，并且獲取的是可中斷鎖，然后判斷當前元素個數是否等于數組的長度，如果相等，則調用notFull.await()進行等待，如果捕獲到中斷異常，則喚醒線程并拋出異常。

　　當被其他線程喚醒時，通過insert(e)方法插入元素，最后解鎖。

　　我們看一下insert方法的實現：

private void insert(E x) {
    items[putIndex] = x;
    putIndex = inc(putIndex);
    ++count;
    notEmpty.signal();
}

　　它是一個private方法，插入成功后，通過notEmpty喚醒正在等待取元素的線程。

　　下面是take()方法的實現：

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
        } catch (InterruptedException ie) {
            notEmpty.signal(); // propagate to non-interrupted thread
            throw ie;
        }
        E x = extract();
        return x;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

　　跟put方法實現很類似，只不過put方法等待的是notFull信號，而take方法等待的是notEmpty信號。在take方法中，如果可以取元素，則通過extract方法取得元素，下面是extract方法的實現：

private E extract() {
    final E[] items = this.items;
    E x = items[takeIndex];
    items[takeIndex] = null;
    takeIndex = inc(takeIndex);
    --count;
    notFull.signal();
    return x;
}

　　跟insert方法也很類似。

　　其實從這里大家應該明白了阻塞隊列的實現原理，事實它和我們用Object.wait()、Object.notify()和非阻塞隊列實現生產者-消費者的思路類似，只不過它把這些工作一起集成到了阻塞隊列中實現。

四.示例和使用場景

　　下面先使用Object.wait()和Object.notify()、非阻塞隊列實現生產者-消費者模式：

public class Test {
	private int queueSize = 10;
	private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
	
	public static void main(String[] args)  {
		Test test = new Test();
		Producer producer = test.new Producer();
		Consumer consumer = test.new Consumer();
		
		producer.start();
		consumer.start();
	}
	
	class Consumer extends Thread{
		
		@Override
		public void run() {
			consume();
		}
		
		private void consume() {
			while(true){
				synchronized (queue) {
					while(queue.size() == 0){
						try {
							System.out.println("隊列空，等待數據");
							queue.wait();
						} catch (InterruptedException e) {
							e.printStackTrace();
							queue.notify();
						}
					}
					queue.poll();          //每次移走隊首元素
					queue.notify();
					System.out.println("從隊列取走一個元素，隊列剩余"+queue.size()+"個元素");
				}
			}
		}
	}
	
	class Producer extends Thread{
		
		@Override
		public void run() {
			produce();
		}
		
		private void produce() {
			while(true){
				synchronized (queue) {
					while(queue.size() == queueSize){
						try {
							System.out.println("隊列滿，等待有空余空間");
							queue.wait();
						} catch (InterruptedException e) {
							e.printStackTrace();
							queue.notify();
						}
					}
					queue.offer(1);        //每次插入一個元素
					queue.notify();
					System.out.println("向隊列取中插入一個元素，隊列剩余空間："+(queueSize-queue.size()));
				}
			}
		}
	}
}

　　這個是經典的生產者-消費者模式，通過阻塞隊列和Object.wait()和Object.notify()實現，wait()和notify()主要用來實現線程間通信。

　　具體的線程間通信方式（wait和notify的使用）在后續問章中會講述到。

　　下面是使用阻塞隊列實現的生產者-消費者模式：

public class Test {
	private int queueSize = 10;
	private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(queueSize);
	
	public static void main(String[] args)  {
		Test test = new Test();
		Producer producer = test.new Producer();
		Consumer consumer = test.new Consumer();
		
		producer.start();
		consumer.start();
	}
	
	class Consumer extends Thread{
		
		@Override
		public void run() {
			consume();
		}
		
		private void consume() {
			while(true){
				try {
					queue.take();
					System.out.println("從隊列取走一個元素，隊列剩余"+queue.size()+"個元素");
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}
		}
	}
	
	class Producer extends Thread{
		
		@Override
		public void run() {
			produce();
		}
		
		private void produce() {
			while(true){
				try {
					queue.put(1);
					System.out.println("向隊列取中插入一個元素，隊列剩余空間："+(queueSize-queue.size()));
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}
		}
	}
}

　　有沒有發現，使用阻塞隊列代碼要簡單得多，不需要再單獨考慮同步和線程間通信的問題。

　　在并發編程中，一般推薦使用阻塞隊列，這樣實現可以盡量地避免程序出現意外的錯誤。

　　阻塞隊列使用最經典的場景就是socket客戶端數據的讀取和解析，讀取數據的線程不斷將數據放入隊列，然后解析線程不斷從隊列取數據解析。還有其他類似的場景，只要符合生產者-消費者模型的都可以使用阻塞隊列。

　　參考資料：

　　《Java編程實戰》

　　http://ifeve.com/java-blocking-queue/

　　http://endual.iteye.com/blog/1412212

　　http://blog.csdn.net/zzp_403184692/article/details/8021615

　　http://www.rzrgm.cn/juepei/p/3922401.html

posted @ 2014-08-29 09:08 Matrix海子閱讀(113866) 評論(25) 收藏舉報

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