JAVA中的阻塞队列

最新推荐文章于 2025-03-19 16:08:15 发布

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分类专栏：技术文章标签： java 阻塞队列并发编程

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JAVA中的阻塞队列

什么是阻塞队列

阻塞队列是一个在队列基础上又支持了两个附加操作的队列。
2个附加操作：
支持阻塞的插入方法：队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满。
支持阻塞的移除方法：队列空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。

应用场景

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是向队列里添加元素的线程，消费者是从队列里取元素的线程。简而言之，阻塞队列是生产者用来存放元素、消费者获取元素的容器。

不可用时的四种处理方法

在阻塞队列不可用的时候，上述2个附加操作提供了四种处理方法

方法处理方式	抛出异常	返回特殊值	一直阻塞	超时退出
插入方法	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e,time,unit)
移除方法	remove()	poll()	take()	poll(time,unit)
检查方法	element()	peek()	不可用	不可用

抛出异常：是指当阻塞队列满时候，再往队列里插入元素，会抛出 IllegalStateException(“Queue full”) 异常。当队列为空时，从队列里获取元素时会抛出 NoSuchElementException 异常。
返回特殊值：插入方法会返回是否成功，成功则返回 true。移除方法，则是从队列里拿出一个元素，如果没有则返回 null
一直阻塞：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里 put 元素，队列会一直阻塞生产者线程，直到拿到数据，或者响应中断退出。当队列空时，消费者线程试图从队列里 take 元素，队列也会阻塞消费者线程，直到队列可用。
超时退出：当阻塞队列满时，队列会阻塞生产者线程一段时间，如果超过一定的时间，生产者线程就会退出。

JAVA里的阻塞队列

JDK7 提供了 7 个阻塞队列。分别是

ArrayBlockingQueue ：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
LinkedBlockingQueue ：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。
PriorityBlockingQueue ：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
DelayQueue：一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。
SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。
LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。
LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

ArrayBlockingQueue

一个用数组实现的有界阻塞队列。此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。默认情况下不保证访问者公平的访问队列，所谓公平访问队列是指阻塞的所有生产者线程或消费者线程，当队列可用时，可以按照阻塞的先后顺序访问队列，即先阻塞的生产者线程，可以先往队列里插入元素，先阻塞的消费者线程，可以先从队列里获取元素。通常情况下为了保证公平性会降低吞吐量。
我们可以使用以下代码创建一个公平的阻塞队列：

ArrayBlockingQueue fairQueue = new  ArrayBlockingQueue(1000,true);

访问者的公平性是使用可重入锁实现的，代码如下：

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

基于链表的阻塞队列，同ArrayListBlockingQueue类似，此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序，其内部也维持着一个数据缓冲队列（该队列由一个链表构成），当生产者往队列中放入一个数据时，队列会从生产者手中获取数据，并缓存在队列内部，而生产者立即返回；只有当队列缓冲区达到最大值缓存容量时（LinkedBlockingQueue可以通过构造函数指定该值），才会阻塞生产者队列，直到消费者从队列中消费掉一份数据，生产者线程会被唤醒，反之对于消费者这端的处理也基于同样的原理。
LinkedBlockingQueue之所以能够高效的处理并发数据，还因为其对于生产者端和消费者端分别采用了独立的锁来控制数据同步，这也意味着在高并发的情况下生产者和消费者可以并行地操作队列中的数据，以此来提高整个队列的并发性能。
作为开发者，我们需要注意的是，如果构造一个LinkedBlockingQueue对象，而没有指定其容量大小，LinkedBlockingQueue会默认一个类似无限大小的容量（Integer.MAX_VALUE），这样的话，如果生产者的速度一旦大于消费者的速度，也许还没有等到队列满阻塞产生，系统内存就有可能已被消耗殆尽了。

ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue是两个最普通也是最常用的阻塞队列，一般情况下，在处理多线程间的生产者消费者问题，使用这两个类足以。

PriorityBlockingQueue

一个支持优先级的无界队列。默认情况下元素采取自然顺序排列，可以自定义实现compareTo()方法来指定元素的排序规则,或者初始化PriorityBlockingQueue时，指定构造参数Comparator来对元素进行排序。需要注意哦的是不能保证同优先级元素的顺序。元素按照升序排列。

DelayQueue

一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用 PriorityQueue 来实现。队列中的元素必须实现 Delayed 接口，在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。我们可以将 DelayQueue 运用在以下应用场景：

缓存系统的设计：可以用 DelayQueue 保存缓存元素的有效期，使用一个线程循环查询 DelayQueue，一旦能从
DelayQueue 中获取元素时，表示缓存有效期到了。
定时任务调度：使用 DelayQueue 保存当天将会执行的任务和执行时间，一旦从 DelayQueue 中获取到任务就开始执行，从比如
TimerQueue 就是使用 DelayQueue 实现的。
队列中的 Delayed 必须实现 compareTo 来指定元素的顺序。比如让延时时间最长的放在队列的末尾。实现代码如下：

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);
        }

如何实现 Delayed 接口

我们可以参考 ScheduledThreadPoolExecutor 里 ScheduledFutureTask 类。这个类实现了 Delayed 接口。首先：在对象创建的时候，使用 time 记录前对象什么时候可以使用，代码如下：

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 可以查询当前元素还需要延时多久，代码如下：

public long getDelay(TimeUnit unit) {
            return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
        }

通过构造函数可以看出延迟时间参数 ns 的单位是纳秒，自己设计的时候最好使用纳秒，因为 getDelay 时可以指定任意单位，一旦以纳秒作为单位，而延时的时间又精确不到纳秒就麻烦了。使用时请注意当 time 小于当前时间时，getDelay 会返回负数。

如何实现延时队列

延时队列的实现很简单，当消费者从队列里获取元素时，如果元素没有达到延时时间，就阻塞当前线程。

long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
                    if (delay <= 0)
                        return q.poll();
                    else if (leader != null)
                        available.await();

SynchronousQueue

一个不存储元素的阻塞队列。每一个 put 操作必须等待一个 take 操作，否则不能继续添加元素。SynchronousQueue 可以看成是一个传球手，负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。队列本身并不存储任何元素，非常适合于传递性场景, 比如在一个线程中使用的数据，传递给另外一个线程使用，SynchronousQueue 的吞吐量高于 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

LinkedTransferQueue

一个由链表结构组成的无界阻塞 TransferQueue 队列。相对于其他阻塞队列，LinkedTransferQueue 多了 tryTransfer 和 transfer 方法。

transfer 方法

如果当前有消费者正在等待接收元素（消费者使用 take() 方法或带时间限制的 poll() 方法时），transfer 方法可以把生产者传入的元素立刻 transfer（传输）给消费者。如果没有消费者在等待接收元素，transfer 方法会将元素存放在队列的 tail 节点，并等到该元素被消费者消费了才返回。transfer 方法的关键代码如下：

Node pred = tryAppend(s, haveData);
return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);

第一行代码是试图把存放当前元素的 s 节点作为 tail 节点。第二行代码是让 CPU 自旋等待消费者消费元素。因为自旋会消耗 CPU，所以自旋一定的次数后使用 Thread.yield() 方法来暂停当前正在执行的线程，并执行其他线程。

tryTransfer 方法

是用来试探下生产者传入的元素是否能直接传给消费者。如果没有消费者等待接收元素，则返回 false。和 transfer 方法的区别是 tryTransfer 方法无论消费者是否接收，方法立即返回。而 transfer 方法是必须等到消费者消费了才返回。

对于带有时间限制的 tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit) 方法，则是试图把生产者传入的元素直接传给消费者，但是如果没有消费者消费该元素则等待指定的时间再返回，如果超时还没消费元素，则返回 false，如果在超时时间内消费了元素，则返回 true。

LinkedBlockingDeque

一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的你可以从队列的两端插入和移出元素。双端队列因为多了一个操作队列的入口，在多线程同时入队时，也就减少了一半的竞争。
相比其他的阻塞队列，LinkedBlockingDeque 多了 addFirst，addLast，offerFirst，offerLast，peekFirst，peekLast 等方法，以 First 单词结尾的方法，表示插入，获取（peek）或移除双端队列的第一个元素。以 Last 单词结尾的方法，表示插入，获取或移除双端队列的最后一个元素。另外插入方法 add 等同于 addLast，移除方法 remove 等效于 removeFirst。但是 take 方法却等同于 takeFirst，使用时还是用带有 First 和 Last 后缀的方法更清楚。

在初始化 LinkedBlockingDeque 时可以设置容量防止其过渡膨胀。另外双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。

阻塞队列的实现原理（JDK1.7）

以ArrayBlockingQueue为例，我们先来看看代码：

private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;
/** The queued items */
final Object[] items;
/** items index for next take, poll, peek or remove */
int takeIndex;
/** items index for next put, offer, or add */
int putIndex;
/** Number of elements in the queue */
int count;
final ReentrantLock lock;
/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;
/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
        // 省略其他代码 
        notEmpty = lock.newCondition();
        notFull =  lock.newCondition();
    }

public void put(E e) throws InterruptedException {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            enqueue(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
 /**
     * Inserts element at current put position, advances, and signals.
     * Call only when holding lock.
     */
    private void enqueue(E x) {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[putIndex] == null;
        final Object[] items = this.items;
        items[putIndex] = x;
        if (++putIndex == items.length) putIndex = 0;
        count++;
        notEmpty.signal();
    }
public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
private E dequeue() {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[takeIndex] != null;
        final Object[] items = this.items;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E x = (E) items[takeIndex];
        items[takeIndex] = null;
        if (++takeIndex == items.length) takeIndex = 0;
        count--;
        if (itrs != null)
            itrs.elementDequeued();
        notFull.signal();
        return x;
    }
private void insert(E x) {
        items[putIndex] = x;
        putIndex = inc(putIndex);
        ++count;
        notEmpty.signal();
    }

从上面代码可以看出ArrayBlockingQueue是维护一个Object类型的数组，takeIndex和putIndex分别表示队首元素和队尾元素的下标，count表示队列中元素的个数，lock则是一个可重入锁，notEmpty和notFull是等待条件。

从put方法的实现可以看出，它先获取了锁，并且获取的是可中断锁，然后判断当前元素个数是否等于数组的长度，如果相等，则调用notFull.await()进行等待，当被其他线程唤醒时，通过enqueue(e)方法插入元素(插入成功后，通过notEmpty唤醒正在等待取元素的线程)，最后解锁。

take方法等待的是notEmpty信号。在take方法中，如果可以取元素，则通过dequeue方法取得元素(获取成功后，通过notFull唤醒正在等待插入元素的线程)
更详细的实现原理请参考博客:https://www.infoq.cn/article/java-blocking-queue

使用阻塞队列实现的生产者-消费者模式

代码如下:

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() {
            while(true){
                try {
                    queue.take();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }   
    }
     
    class Producer extends Thread{    
        @Override
        public void run() {         
            while(true){
                try {
                    queue.put(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }     
    }
}