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

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

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

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

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

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

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

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時可以初始化隊列的容量，用來防止其再擴容時過渡膨脹。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

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。

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：

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：