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一、生产者、消费者概念
生产者、消费者是设计模式的一种。
作用:让生产者、消费者基于一个容器来解决强耦合问题
实现:生产者、消费者彼此之间不会直接通讯,而是通过一个容器(队列)进行通讯。
- 生产者生产完数据后扔到容器中,不需要等待消费者来处理数据。
- 消费者需要消费数据时,不需要去找生产者索取数据,直接从容器中获取。
这种容器最常见的就是队列
二、JUC阻塞队列的存取方法
常用的存取方法都是来自于JUC包下的BlockingQueue
生产者存储方法
- add(E)
- 添加数据到队列,如果队列满了,无法存储,抛出异常
- offer(E)
- 添加数据到队列,如果队列满了,返回false
- offer(E,timeout,unit)
- 添加数据到队列,如果队列满了,阻塞timeout时间,如果阻塞一段时间,依然没添加进入,返回false
- put(E)
- 添加数据到队列,如果队列满了,挂起线程,等到队列中有位置,再扔数据进去,死等!
消费者取数据方法
- remove()
- 从队列中移除数据,如果队列为空,抛出异常
- poll()
- 从队列中移除数据,如果队列为空,返回null。
- poll(timeout,unit)
- 从队列中移除数据,如果队列为空,挂起线程timeout时间,等生产者扔数据,再获取
- take()
- 从队列中移除数据,如果队列为空,线程挂起,一直等到生产者扔数据,再获取,死等
三、阻塞队列
1、定义
阻塞队列(Blocking Queue)是一种支持线程安全的队列
- 阻塞插入:但队列满时,插入元素的线程被阻塞,直到队列有空位。
- 阻塞移除:当队列为空时,移除元素的线程被阻塞,知道队列有新元素。
- 超时操作:支持在阻塞时设置超时时间,超时后放弃操作。
2、背景与解决的问题
- 线程协调问题:生产者和消费者速率不一样(生产者生产数据的效率,消费者消费数据的效率 不一样),需要避免忙等待,减少资源浪费。
- 解耦生产者与消费者:通过队列隔离生产者和消费者,双方无需直接感知对方状态。
- 流量控制:通过有界队列限制资源使用,防止内存溢出或系统过载。
3、常见阻塞队列及原理
| 队列类型 | 数据结构 | 容量 | 锁机制 | 特点 |
|---|---|---|---|---|
| ArrayBlockingQueue | 数组 | 有界 | 单锁(ReentrantLock) | 固定大小,公平/非公平锁,入队出队共用锁。 |
| LinkedBlockingQueue | 链表 | 可选有界 | 双锁(分离读/写) | 默认无界(Integer.MAX),高吞吐量。 |
| PriorityBlockingQueue | 堆(数组实现) | 无界 | 单锁 | 元素按优先级排序,支持自定义比较器。 |
| SynchronousQueue | 无存储结构 | 容量为0 | CAS或TransferStack | 直接传递数据,生产者需等待消费者接收。 |
| DelayQueue | 优先级堆 | 无界 | 单锁 | 元素需实现Delayed接口,到期才能取出。 |
| LinkedTransferQueue | 链表 | 无界 | CAS优化 | 支持“匹配模式”(生产者和消费者直接交换)。 |
4、差异对比
1、数据结构
- ArrayBlockingQueue:基于数组,内存连续,适合固定大小场景
- LinkedBlockingQueue:基于链表,动态扩展,适合高吞吐量。
- PriorityBlockingQueue:通过二叉堆实现优先排序
2、容量限制
- ArrayBlockingQueue:严格有界
- LinkedBlockingQueue:默认无界(Integer.MAX)
- SynchronousQueue:容量为0,强制生产者-消费者同步
3、锁机制
- ArrayBlockingQueue:单锁,可能成为性能瓶颈
- LinkedBlockingQueue: 双锁,读写锁,提高并发度
- SynchronousQueue: 无锁,基于CAS或栈/队列结构
4、特殊功能
- DelayQueue:用于延迟任务(eg. 定时调度)
- LinkedTransferQueue:支持数据直接传递,减少中间存储
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