Java学习笔记（四）- 手写循环队列，实现多生产者单消费者

最新推荐文章于 2022-09-07 10:22:18 发布

来一粒感康

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分类专栏：编程程序员 java基础文章标签： java 开发语言后端

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本文介绍了如何使用Java实现一个循环队列，涉及多线程环境下生产者（插入）和消费者（取出）的操作，模拟队列满和空的处理。通过PushQueueThread和PopQueueThread演示并发控制和队列通信。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

学习的最好方式就是写出来

今天我们就手撸一个循环队列吧，多生产者，单消费者模式，模拟队列满了之后的场景

这里先说明下循环队列的实现原理

队列长度固定，队列有头部指针（front）、尾部指针(rear)两个指针
每插入一个元素，尾部指针前移一位
每取出一个元素，头部指针前移一位
队列满了之后，取出一个元素，再加入一个元素，尾部指针归零
取元素的个数达到队列最大长度之后，头部指针归零

1、下面上代码实操，先来个接口类

package com.fss.util.queue;

public interface Queue<T> {

    /**
     * 添加元素
     */
    boolean push(T t);

    /**
     * 取出元素，先进先出
     */
    T pop();

    /**
     * 判断队列是否已满
     */
    boolean isFull();

    /**
     * 判断队列是否为空
     */
    boolean isEmpty();

}

2、再来一个抽象类吧，保证子类自己来实现接口

package com.fss.util.queue;

public abstract class AbstractQueue<T> implements Queue<T> {

    @Override
    public boolean push(T t) {
        throw new UnsupportedOperationException("不支持的方法");
    }

    @Override
    public T pop() {
        throw new UnsupportedOperationException("不支持的方法");
    }

    @Override
    public boolean isFull() {
        throw new UnsupportedOperationException("不支持的方法");
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        throw new UnsupportedOperationException("不支持的方法");
    }
}

3、队列实现类

package com.fss.util.queue;

import java.util.Arrays;

public class CycleQueue<T> extends AbstractQueue<T> implements Queue<T>{

    // 队列初始化大小
    private static final int CAPCAITY = 6;

    // 队列头
    volatile int front;

    // 队列尾
    volatile int rear;

    // 队列元素
    volatile T[] arrays;

    public CycleQueue() {
        this.arrays = (T[]) new Object[CAPCAITY];
    }

    /**
     * 添加元素，队尾下标+1
     */
    @Override
    public boolean push(T t) {
        synchronized (this) {
            if (!isFull()) {
                arrays[rear] = t;
                // 队尾指针+1后的值等于队列容积时，队尾下标重置为0，以实现队列循环使用
                if (++rear == CAPCAITY) {
                    rear = 0;
                }
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

    /**
     * 取出元素，队列头下标+1
     */
    @Override
    public T pop() {
        synchronized (this) {
            if (!isEmpty()) {
                System.out.print("当前数组： ");
                for (int i=0; i<arrays.length; i++) {
                    System.out.print(arrays[i] + ",");
                }
                System.out.print(" - ");

                final T cur = arrays[front];
                arrays[front] = null;
                front++;
                // 队头指针+1后的值等于队列容积时，队头下标重置为0，以实现队列循环使用
                if (front == CAPCAITY) {
                    front = 0;
                }
                return cur;
            }
            return null;
        }
    }

    /**
     * 判断队列是否满
     */
    @Override
    public boolean isFull() {
        synchronized (this) {
            return front == rear && arrays[rear] != null;
        }
    }

    /**
     * 判断队列是否为空
     */
    @Override
    public boolean isEmpty() {
        synchronized (this) {
            return front == rear && arrays[rear] == null;
        }
    }
}

4、大功告成，现在起3个线程类，2个生产者，1一个消费者，生产速度大于消费速度

生产者（当队列满了之后等待，有元素被取出则继续生产）

package com.fss.util.thread;

import com.fss.util.queue.CycleQueue;

import java.util.Random;

public class PushQueueThread extends Thread{

    private CycleQueue queue;

    private String threadName;

    public PushQueueThread(CycleQueue queue, String threadName) {
        this.queue = queue;
        this.threadName = threadName;
    }

    @Override
    public void run() {
        synchronized (queue) {
            while (true) {
                int i = new Random().nextInt(1000);
                while (queue.isFull()) {
                    try {
                        System.out.print(threadName + " - 发现队列满了，排队等位中。。。。\n");
                        queue.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                queue.push(i);
                System.out.print(threadName + "-放入元素： " + i + "\n");
                try {
                    queue.wait(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

消费者（取出元素之后通知生产者生产）

package com.fss.util.thread;

import com.fss.util.queue.CycleQueue;

import java.util.List;

public class PopQueueThread extends Thread{

    private CycleQueue queue;

    private String threadName;

    public PopQueueThread(CycleQueue queue, String threadName) {
        this.queue = queue;
        this.threadName = threadName;
    }
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    @Override
    public void run() {
        synchronized (queue) {
            while (true) {
                if (!queue.isEmpty()) {
                    Object o = queue.pop();
                    System.out.print(threadName + "-取出元素: "+o + "\n");
                    try {
                        queue.wait(100);
                        System.out.println(threadName + " - 有空位了，下一位上来吧。。。");
                        queue.notifyAll();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                } else {
                    try {
                        System.out.print(threadName + " - 发现队列空了，坐等客人上门。。。。\n");
                        queue.wait(200);
                        queue.notifyAll();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }

}

5、起一个main方法测试吧

package test;

import com.fss.util.queue.CycleQueue;
import com.fss.util.thread.PopQueueThread;
import com.fss.util.thread.PushQueueThread;

public class CycleQueueTest {

    public static void main(String[] args) {
        CycleQueue queue = new CycleQueue();
        PushQueueThread pushThread1 = new PushQueueThread(queue, "Push1");
        PushQueueThread pushThread2 = new PushQueueThread(queue, "Push2");
        PopQueueThread popThread = new PopQueueThread(queue, "Pop1");
        pushThread1.start();
        pushThread2.start();
        popThread.start();
    }

}

输出结果

Push1-放入元素： 148
Push2-放入元素： 694
当前数组： 148,694,null,null,null,null, - Pop1-取出元素: 148
Push1-放入元素： 797
Push2-放入元素： 781
Pop1 - 有空位了，下一位上来吧。。。
当前数组： null,694,797,781,null,null, - Pop1-取出元素: 694
Push2-放入元素： 639
Push1-放入元素： 390
Push2-放入元素： 633
Pop1 - 有空位了，下一位上来吧。。。
当前数组： 633,null,797,781,639,390, - Pop1-取出元素: 797
Push1-放入元素： 843
Push2-放入元素： 945
Pop1 - 有空位了，下一位上来吧。。。
当前数组： 633,843,945,781,639,390, - Pop1-取出元素: 781
Push2-放入元素： 33
Push1 - 发现队列满了，排队等位中。。。。
Pop1 - 有空位了，下一位上来吧。。。