阻塞队列和非阻塞队列

最新推荐文章于 2024-04-16 16:54:51 发布

原创最新推荐文章于 2024-04-16 16:54:51 发布 · 738 阅读

5 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#队列 #算法 #java #多线程 #并发控制

Java 专栏收录该内容

6 篇文章

订阅专栏

在并发队列上JDK提供了一些应用比较广泛的特殊队列：一种是以ConcurrentLinkedQueue为代表的非阻塞队列；另一种是以BlockingQueue接口为代表的阻塞队列。通过这两种队列，我们保证了多线程操作数据的安全性。
在这里插入图片描述

阻塞队列

阻塞队列是一个支持两个附加操作的队列：1)在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空；2)当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。因此，当一个线程试图对一个已经满了的队列进行入队列操作时，它将会被堵塞，除非有另一个线程做了出队列的操作；同样，当一个线程试图对一个空队列进行出队列操作时，它将会被阻塞，除非有另外一个线程进行了入队列的操作。

多线程环境中，通过队列可以很容易实现数据共享，比如常见的阻塞队列应用就是生产者消费者模式。生产者把数据放到队列，如果队列满了，就会阻塞此操作，直到消费者消费，如果队列中数据被消费完，那么消费者被阻塞，直到生产者生产。如果生产者线程需要把准备好的数据共享给消费者线程，利用队列的方式来传递数据，就可以很方便地解决他们之间的数据共享问题。

阻塞队列的实现：
前两个是有界队列，后两个是无界队列。有界队列即长度有限，满了以后ArrayBlockingQueue会插入阻塞。无界队列就是里面能放无数的东西而不会因为队列长度限制被阻塞，但是可能会出现OOM异常。
有界队列是强大的资源管理工具，用来建立可靠的应用程序：它们遏制那些可以产生过多工作量、具有威胁的活动，从而让你的程序在面对超负荷工作时更加健壮。

ArrayBlockingQueue：基于数组实现的一个阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须制定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间最长的队列最优先能够访问队列。
LinkedBlockingQueue：基于链表实现的一个阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE。
PriorityBlockingQueue：以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue却不是，它会按照元素的优先级对元素进行排序，按照优先级顺序出队，每次出队的元素都是优先级最高的元素。注意，此阻塞队列为无界阻塞队列，即容量没有上限（通过源码就可以知道，它没有容器满的信号标志），前面2种都是有界队列。
DelayQueue：基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，DelayQueue中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻塞。
SynchronousQueue：一个没有容量的队列，不会为队列元素维护任何存储空间，每执行一次put就要执行一次take，否则就会阻塞。即当一个线程插入一个元素后会被阻塞，除非这个元素被另一个线程消费。未使用锁。通过cas实现，吞吐量异常高。它维护一个排队的线程清单，这些线程等待把元素加入（enqueue）队列或者移出（dequeue）队列。内部采用的就是ArrayBlockingQueue的阻塞队列，所以在功能上完全可以用ArrayBlockingQueue替换，但是SynchronousQueue是轻量级的，SynchronousQueue不具有任何内部容量，我们可以用来在线程间安全的交换单一元素。所以功能比较单一，优势就在于轻量。SynchronousQueue这类队列只有在消费者充足的时候比较合适，它们总能为下一个任务作好准备。

阻塞队列常用方法：

put方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待；
take方法用来从队首取元素，如果队列为空，则等待；
offer方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果还没有插入成功，则返回false；否则返回true；
poll方法用来从队首取元素，如果队列空，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果取到，则返回null；否则返回取得的元素；

非阻塞队列

基于锁的算法会带来一些活跃度失败的风险。如果线程在持有锁的时候因为阻塞I/O、页面错误、或其他原因发生延迟，很可能所有的线程都不能工作了。一个线程的失败或挂起不应该影响其他线程的失败或挂起，这样的算法称为非阻塞算法；如果算法的每一个步骤中都有一些线程能够继续执行，那么这样的算法称为锁自由（lock-free）算法。在线程间使用CAS进行协调，这样的算法如果能构建正确的话，它既是非阻塞的，又是锁自由的。java中提供了基于CAS非阻塞算法实现的队列，比较有代表性的有ConcurrentLinkedQueue和LinkedTransferQueue，它们的性能一般比阻塞队列的好。
关于CAS的详解参见这篇文章。

ConcurrentLinkedQueue
ConcurrentLinkedQueue是一个适用于高并发场景下的队列，通过无锁的方式，实现了高并发状态下的高性能。ConcurrentLinkedQueue是一个基于链表的无界线程安全队列，它采用先进先出的规则对节点进行排序，当我们添加一个元素的时候，它会添加到队列的尾部；当我们获取一个元素时，它会返回队列头部的元素。ConcurrentLinkedQueue的线程安全是通过其插入、删除时采取CAS操作来保证的。由于使用CAS没有使用锁，所以获取size的时候有可能进行offer，poll或者remove操作，导致获取的元素个数不精确，所以在并发情况下size函数不是很有用。
LinkedTransferQueue
jdk7才提供这个类，这个类实现了TransferQueue接口，也是基于链表的，对于所有给定的生产者都是先入先出的。与其他阻塞队列的区别是：其他阻塞队列，生产者生产数据，如果队列没有满，放下数据就走，消费者获取数据，看到有数据获取数据就走。而LinkedTransferQueue生产者放数据的时候，如果此时消费者没有获取，则需阻塞等待直到有消费者过来获取数据。有点类似SynchronousQueue，但是LinkedTransferQueue是被设计有容量的。LinkedTransferQueue 通过使用CAS来实现并发控制，是一个无界的安全队列。其长度可以无限延伸，当然带来的问题也是显而易见的。