java多线程（8）---阻塞队列

2年前 (2022) 程序员胖胖胖虎阿

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阻塞队列

再写阻塞列队之前，我写了一篇有关queue集合相关博客，也主要是为这篇做铺垫的。

网址：【java提高】---queue集合在这篇博客中我们接触的队列都是非阻塞队列，比如PriorityQueue、LinkedList（LinkedList是双向链表，它实现了Dequeue接口）。

使用非阻塞队列的时候有一个很大问题就是：它不会对当前线程产生阻塞，那么在面对类似消费者-生产者的模型时，就必须额外地实现同步策略以及线程间唤醒策略，这个实现起来就非常麻烦。

一、认识BlockingQueue

阻塞队列，顾名思义，首先它是一个队列，而一个队列在数据结构中所起的作用大致如下图所示：

java多线程（8）---阻塞队列

从上图我们可以很清楚看到，通过一个共享的队列，可以使得数据由队列的一端输入，从另外一端输出；

常用的队列主要有以下两种：

　　先进先出（FIFO）：先插入的队列的元素也最先出队列，类似于排队的功能。从某种程度上来说这种队列也体现了一种公平性。

　　后进先出（LIFO）：后插入队列的元素最先出队列，这种队列优先处理最近发生的事件。

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者线程可以把生产结果存到阻塞队列中，而消费者线程把中间结果取出并在将来修改它们。

队列会自动平衡负载，如果生产者线程集运行的比消费者线程集慢，则消费者线程集在等待结果时就会阻塞；如果生产者线程集运行的快，那么它将等待消费者线程集赶上来。

作为BlockingQueue的使用者，我们再也不需要关心什么时候需要阻塞线程，什么时候需要唤醒线程，因为这一切BlockingQueue都给你一手包办了。

看下BlockingQueue的核心方法

1、放入数据

（1）put(E e):put方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待。　　　

（2）offer(E o, long timeout, TimeUnit unit)：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；

2、获取数据

（1）take()：take方法用来从队首取元素，如果队列为空，则等待；

（2）drainTo():一次性从BlockingQueue获取所有可用的数据对象（还可以指定获取数据的个数），通过该方法，可以提升获取数据效率；不需要多次分批加锁或释放锁。

（3）poll(time):取走BlockingQueue里排在首位的对象,若不能立即取出,则可以等time参数规定的时间,取不到时返回null;

（4）poll(long timeout, TimeUnit unit)：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；

二、常见BlockingQueue

在了解了BlockingQueue的基本功能后，让我们来看看BlockingQueue家庭大致有哪些成员？

java多线程（8）---阻塞队列

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、小案例

有关生产者-消费者，上篇博客我写了基于wait和notifyAll实现过，也基于await和signal实现过，网址：https://www.cnblogs.com/qdhxhz/p/9206076.html

这里已经是第三个相关生产消费者的小案例了。

这里通过LinkedBlockingQueue实现生产消费模式

(1)测试类

public class BlockingQueueTest {
      
          public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
              // 声明一个容量为10的缓存队列
             BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<String>(10);
      
             //new了两个生产者和一个消费者，同时他们共用一个queue缓存队列
             Producer producer1 = new Producer(queue);
             Producer producer2 = new Producer(queue);          
             Consumer consumer = new Consumer(queue);
      
             // 通过线程池启动线程
             ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();

             service.execute(producer1);
             service.execute(producer2);          
             service.execute(consumer);
      
             // 执行5s
             Thread.sleep(5 * 1000);
             producer1.stop();
             producer2.stop();
           
             Thread.sleep(2000);
             // 退出Executor
             service.shutdown();
         }
     }

(2)生产者

/**
  * 生产者线程
  */
 public class Producer implements Runnable {
     
     private volatile boolean  isRunning = true;//是否在运行标志
     private BlockingQueue<String> queue;//阻塞队列
     private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();//自动更新的值
    
     //构造函数
     public Producer(BlockingQueue<String> queue) {
         this.queue = queue;
     }
  
     public void run() {
         String data = null;
         System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 启动生产者线程！");
         try {
             while (isRunning) {
                 Thread.sleep(1000);
                 
                //以原子方式将count当前值加1
                 data = "" + count.incrementAndGet();
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 将生产数据：" + data + "放入队列中");
                 
               //设定的等待时间为2s，如果超过2s还没加进去返回false
                 if (!queue.offer(data, 2, TimeUnit.SECONDS)) {
                     System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 放入数据失败：" + data);
                 }
             }
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
             Thread.currentThread().interrupt();
         } finally {
             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 退出生产者线程！");
         }
     }
  
     public void stop() {
         isRunning = false;
     }
 }

（3）消费者

/**
  * 消费者线程
  */
 public class Consumer implements Runnable {
     
     private BlockingQueue<String> queue;

     //构造函数
     public Consumer(BlockingQueue<String> queue) {
         this.queue = queue;
     }
  
     public void run() {
         System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 启动消费者线程！");

         boolean isRunning = true;
         try {
             while (isRunning) {
                //有数据时直接从队列的队首取走，无数据时阻塞，在2s内有数据，取走，超过2s还没数据，返回失败
                 String data = queue.poll(2, TimeUnit.SECONDS);
                 
                 if (null != data) {
                     System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在消费数据：" + data);
                     Thread.sleep(1000);
                 } else {
                     // 超过2s还没数据，认为所有生产线程都已经退出，自动退出消费线程。
                     isRunning = false;
                 }
             }
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
             Thread.currentThread().interrupt();
         } finally {
             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 退出消费者线程！");
         }
     }     
 }

运行结果(其中一种)

java多线程（8）---阻塞队列

三、阻塞队列的实现原理

主要看两个关键方法的实现：put()和take()

1、put方法

public void put(E e) throws InterruptedException {
    
    //首先可以看出，不能放null，否在报空指针异常
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    final E[] items = this.items;
    
    //发现采用的是Lock锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    
    //如果当前线程不能获取锁则抛出异常
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        try {
            while (count == items.length)
    //这里才是关键，我们发现它的堵塞其实是通过await()和signal()来实现的
                notFull.await();
        } catch (InterruptedException ie) {
            notFull.signal(); 
            throw ie;
        }
        insert(e);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

当被其他线程唤醒时，通过insert(e)方法插入元素，最后解锁。

我们看一下insert方法的实现：

private void insert(E x) {
    items[putIndex] = x;
    putIndex = inc(putIndex);
    ++count;
    notEmpty.signal();
}

它是一个private方法，插入成功后，通过notEmpty唤醒正在等待取元素的线程。

2、take()方法

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
        } catch (InterruptedException ie) {
            notEmpty.signal(); 
            throw ie;
        }
        E x = extract();
        return x;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

跟put方法实现很类似，只不过put方法等待的是notFull信号，而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extract方法取得元素，

下面是extract方法的实现：

private E extract() {
    final E[] items = this.items;
    E x = items[takeIndex];
    items[takeIndex] = null;
    takeIndex = inc(takeIndex);
    --count;
    notFull.signal();
    return x;
}

跟insert方法也很类似。

其实从这里大家应该明白了阻塞队列的实现原理，事实它和我们用Object.wait()、Object.notify()和非阻塞队列实现生产者-消费者的思路类似，只不过它这里通过await()和signal()一起集成到了阻塞队列中实现。