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Java并发编程:阻塞队列

zhanghongjie0302 分享于 2016-05-27

推荐:【Java】并发之阻塞队列

BlockingQueue 方法以四种形式出现,对于不能立即满足但可能在将来某一时刻可以满足的操作,这四种形式的处理方式不同:第一种是抛出一个异常,第二种是返回一个

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 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。但是有了阻塞队列就不一样了,它会对当前线程产生阻塞,比如一个线程从一个空的阻塞队列中取元素,此时线程会被阻塞直到阻塞队列中有了元素。当队列中有元素后,被阻塞的线程会自动被唤醒(不需要我们编写代码去唤醒)。这样提供了极大的方便性。

本文先讲述一下java.util.concurrent包下提供主要的几种阻塞队列,然后分析了阻塞队列和非阻塞队列的中的各个方法,接着分析了阻塞队列的实现原理,最后给出了一个实际例子和几个使用场景。

一.几种主要的阻塞队列

二.阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法

三.阻塞队列的实现原理

四.示例和使用场景

若有不正之处请多多谅解,并欢迎批评指正。

请尊重作者劳动成果,转载请标明原文链接:

http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3932906.html 一.几种主要的阻塞队列

自从Java 1.5之后,在java.util.concurrent包下提供了若干个阻塞队列,主要有以下几个:

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。

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。

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。

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。 二.阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法 1.非阻塞队列中的几个主要方法:

add(E e):将元素e插入到队列末尾,如果插入成功,则返回true;如果插入失败(即队列已满),则会抛出异常;

remove():移除队首元素,若移除成功,则返回true;如果移除失败(队列为空),则会抛出异常;

offer(E e):将元素e插入到队列末尾,如果插入成功,则返回true;如果插入失败(即队列已满),则返回false;

poll():移除并获取队首元素,若成功,则返回队首元素;否则返回null;

peek():获取队首元素,若成功,则返回队首元素;否则返回null

对于非阻塞队列,一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法,不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否,而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意,非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。 2.阻塞队列中的几个主要方法:

阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法,上面列举的5个方法在阻塞队列中都存在,但是要注意这5个方法在阻塞队列中都进行了同步措施。除此之外,阻塞队列提供了另外4个非常有用的方法:

put(E e)

take()

offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)

poll(long timeout, TimeUnit unit)

put方法用来向队尾存入元素,如果队列满,则等待;

take方法用来从队首取元素,如果队列为空,则等待;

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;

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; 三.阻塞队列的实现原理

前面谈到了非阻塞队列和阻塞队列中常用的方法,下面来探讨阻塞队列的实现原理,本文以ArrayBlockingQueue为例,其他阻塞队列实现原理可能和ArrayBlockingQueue有一些差别,但是大体思路应该类似,有兴趣的朋友可自行查看其他阻塞队列的实现源码。

首先看一下ArrayBlockingQueue类中的几个成员变量: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 public

class

ArrayBlockingQueue<E>

extends

AbstractQueue<E> implements

BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {

private

static

final

long

serialVersionUID = -817911632652898426L;

/** The queued items

*/ private

final

E[] items; /** items index for next take, poll or remove */ private

int

takeIndex; /** items index for next put, offer, or add. */ private

int

putIndex; /** Number of items in the queue */ private

int

count;

/* * Concurrency control uses the classic two-condition algorithm * found in any textbook. */

/** Main lock guarding all access */ private

final

ReentrantLock lock; /** Condition for waiting takes */ private

final

Condition notEmpty; /** Condition for waiting puts */ private

final

Condition notFull; }

可以看出,ArrayBlockingQueue中用来存储元素的实际上是一个数组,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是一个可重入锁,notEmpty和notFull是等待条件。

下面看一下ArrayBlockingQueue的构造器,构造器有三个重载版本: 1 2 3 4 5 6 7 8 public

ArrayBlockingQueue( int

capacity) { } public

ArrayBlockingQueue( int

capacity,

boolean

fair) {

} public

ArrayBlockingQueue( int

capacity,

boolean

fair,

Collection<?

extends

E> c) { }

第一个构造器只有一个参数用来指定容量,第二个构造器可以指定容量和公平性,第三个构造器可以指定容量、公平性以及用另外一个集合进行初始化。

然后看它的两个关键方法的实现:put()和take(): 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 public

void

put(E e)

throws

InterruptedException {

if

(e ==

null )

throw

new

NullPointerException();

final

E[] items =

this .items;

final

ReentrantLock lock =

this .lock;

lock.lockInterruptibly();

try

{

try

{

while

(count == items.length)

notFull.await();

}

catch

(InterruptedException ie) {

notFull.signal();

// propagate to non-interrupted thread

throw

ie;

}

insert(e);

}

finally

{

lock.unlock();

} }

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,如果捕获到中断异常,则唤醒线程并抛出异常。

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: 1 2 3 4 5 6 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。

下面是take()方法的实现: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 public

E take()

throws

InterruptedException {

final

ReentrantLock lock =

this .lock;

lock.lockInterruptibly();

try

{

try

{

while

(count ==

0 )

notEmpty.await();

}

catch

(InterruptedException ie) {

notEmpty.signal();

// propagate to non-interrupted thread

throw

ie;

}

E x = extract();

return

x;

}

finally

{

lock.unlock(

推荐:并发 加锁 以及Java api自身的阻塞队列

 Java里的阻塞队列 阻塞队列(BlockingQueue)是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是:在队列为空时,获取元素的线程会等待队列变为非空。当队列满

);

} }

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: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 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,只不过它把这些工作一起集成到了阻塞队列中实现。 四.示例和使用场景

下面先使用Object.wait()和Object.notify()、非阻塞队列实现生产者-消费者模式: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 public

class

Test {

private

int

queueSize =

10 ;

private

PriorityQueue<Integer> queue =

new

PriorityQueue<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() {

consume();

}

private

void

consume() {

while ( true ){

synchronized

(queue) {

while (queue.size() ==

0 ){

try

{

System.out.println( "队列空,等待数据" );

queue.wait();

}

catch

(InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

queue.notify();

}

}

queue.poll();

//每次移走队首元素

queue.notify();

System.out.println( "从队列取走一个元素,队列剩余" +queue.size()+ "个元素" );

}

}

}

}

class

Producer

extends

Thread{

@Override

public

void

run() {

produce();

}

private

void

produce() {

while ( true ){

synchronized

(queue) {

while (queue.size() == queueSize){

try

{

System.out.println( "队列满,等待有空余空间" );

queue.wait();

}

catch

(InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

queue.notify();

}

}

queue.offer( 1 );

//每次插入一个元素

queue.notify();

System.out.println( "向队列取中插入一个元素,队列剩余空间:" +(queueSize-queue.size()));

}

}

}

} }

这个是经典的生产者-消费者模式,通过阻塞队列和Object.wait()和Object.notify()实现,wait()和notify()主要用来实现线程间通信。

具体的线程间通信方式(wait和notify的使用)在后续问章中会讲述到。

下面是使用阻塞队列实现的生产者-消费者模式: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 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() {

consume();

}

private

void

consume() {

while ( true ){

try

{

queue.take();

System.out.println( "从队列取走一个元素,队列剩余" +queue.size()+ "个元素" );

}

catch

(InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

}

}

}

class

Producer

extends

Thread{

@Override

public

void

run() {

produce();

}

private

void

produce() {

while ( true ){

try

{

queue.put( 1 );

System.out.println( "向队列取中插入一个元素,队列剩余空间:" +(queueSize-queue.size()));

}

catch

(InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

}

}

} }

有没有发现,使用阻塞队列代码要简单得多,不需要再单独考虑同步和线程间通信的问题。

在并发编程中,一般推荐使用阻塞队列,这样实现可以尽量地避免程序出现意外的错误。

阻塞队列使用最经典的场景就是socket客户端数据的读取和解析,读取数据的线程不断将数据放入队列,然后解析线程不断从队列取数据解析。还有其他类似的场景,只要符合生产者-消费者模型的都可以使用阻塞队列。

推荐:Java并发包:阻塞队列(BlockingQueue)

文章译自:http://tutorials.jenkov.com/java-util-concurrent/index.html 抽空翻译了一下这个教程的文章,后面会陆续放出,如有不妥,请批评指正。 转自请注明

 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。但是有

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