Java 7中的TransferQueue

本文介绍了Java7中引入的TransferQueue接口及其实现类LinkedTransferQueue,详细解释了其功能特性,与现有队列类的区别,并讨论了其在并发编程中的应用优势。

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Java7中加入了JSR 166y规范对集合类和并发类库的改进。其中的一项是增加了接口TransferQueue和其实现类LinkedTransferQueue

TransferQueue继承了BlockingQueueBlockingQueue又继承了Queue)并扩展了一些新方法。BlockingQueue(和Queue)是Java 5中加入的接口,它是指这样的一个队列:当生产者向队列添加元素但队列已满时,生产者会被阻塞;当消费者从队列移除元素但队列为空时,消费者会被阻塞。

TransferQueue则更进一步,生产者会一直阻塞直到所添加到队列的元素被某一个消费者所消费(不仅仅是添加到队列里就完事)。新添加的transfer方法用来实现这种约束。顾名思义,阻塞就是发生在元素从一个线程transfer到另一个线程的过程中,它有效地实现了元素在线程之间的传递(以建立Java内存模型中的happens-before关系的方式)。

TransferQueue还包括了其他的一些方法:两个tryTransfer方法,一个是非阻塞的,另一个带有timeout参数设置超时时间的。还有两个辅助方法hasWaitingConsumer()和getWaitingConsumerCount()。

当我第一次看到TransferQueue时,首先想到了已有的实现类SynchronousQueue。SynchronousQueue的队列长度为0,最初我认为这好像没多大用处,但后来我发现它是整个Java Collection Framework中最有用的队列实现类之一,特别是对于两个线程之间传递元素这种用例。

TransferQueue相比SynchronousQueue用处更广、更好用,因为你可以决定是使用BlockingQueue的方法(译者注:例如put方法)还是确保一次传递完成(译者注:即transfer方法)。在队列中已有元素的情况下,调用transfer方法,可以确保队列中被传递元素之前的所有元素都能被处理。Doug Lea说从功能角度来讲,LinkedTransferQueue实际上是ConcurrentLinkedQueue、SynchronousQueue(公平模式)和LinkedBlockingQueue的超集。而且LinkedTransferQueue更好用,因为它不仅仅综合了这几个类的功能,同时也提供了更高效的实现。

Joe Bowbeer提供了一篇William Scherer, Doug Lea, and Michael Scott的论文,在这篇论文中展示了LinkedTransferQueue的算法,性能测试的结果表明它优于Java 5的那些类(译者注:ConcurrentLinkedQueue、SynchronousQueue和LinkedBlockingQueue)。LinkedTransferQueue的性能分别是SynchronousQueue的3倍(非公平模式)和14倍(公平模式)。因为像ThreadPoolExecutor这样的类在任务传递时都是使用SynchronousQueue,所以使用LinkedTransferQueue来代替SynchronousQueue也会使得ThreadPoolExecutor得到相应的性能提升。考虑到executor在并发编程中的重要性,你就会理解添加这个实现类的重要性了。

Java 5中的SynchronousQueue使用两个队列(一个用于正在等待的生产者、另一个用于正在等待的消费者)和一个用来保护两个队列的锁。而LinkedTransferQueue使用CAS操作(译者注:参考wiki)实现一个非阻塞的方法,这是避免序列化处理任务的关键。这篇论文还罗列了很多的细节和数据,如果你感兴趣,非常值得一读。

### Java中的队列类型及其实现 #### FIFO 队列 Java 中最基本的队列遵循先进先出 (FIFO) 原则,这种类型的队列可以通过 `java.util.LinkedList` 或者 `java.util.ArrayDeque` 来实现[^2]。 ```java Queue<String> fifoQueue = new LinkedList<>(); fifoQueue.offer("first"); fifoQueue.offer("second"); String element = fifoQueue.poll(); // "first" ``` #### 双端队列 (Deque) 双端队列允许在一侧或两侧添加和移除元素。这提供了更大的灵活性,在某些算法中非常有用。`ArrayDeque` 是一种高效的双端队列实现[^3]。 ```java Deque<String> deque = new ArrayDeque<>(); deque.addFirst("one"); deque.addLast("two"); String firstElement = deque.removeFirst(); String lastElement = deque.removeLast(); ``` #### 并发队列 为了处理并发环境下的高吞吐量场景,Java 提供了几种线程安全的队列实现,比如 `ConcurrentLinkedQueue` 和 `TransferQueue`。这些队列设计用于多线程环境中高效工作。 ```java // Concurrent queue example Queue<Integer> concurrentQueue = new ConcurrentLinkedQueue<>(); concurrentQueue.add(1); concurrentQueue.add(2); Integer item = concurrentQueue.poll(); ``` #### 优先级队列 当需要按照特定顺序而不是插入顺序来访问元素时,可以使用 `PriorityQueue`。此队列会根据自然排序或是自定义比较器对元素进行排序。 ```java // Priority Queue Example PriorityQueue<Integer> priorityQueue = new PriorityQueue<>(Comparator.reverseOrder()); priorityQueue.add(90); priorityQueue.add(80); int highestPriorityItem = priorityQueue.peek(); // returns the greatest value as per comparator. ```
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