[聊聊并发]Java中的阻塞队列

引言

本文介绍了什么是阻塞队列，以及Java中阻塞队列的四种处理方式，并介绍和分析了Java7中提供的7种阻塞队列，最后分析阻塞队列的一种实现方式。

什么是阻塞队列？

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支持阻塞的插入和移除方法。

• 支持阻塞的插入方法：意思是当队列满时，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：意思是在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里取元素的线程。阻塞队列就是生产者用来存放元素，消费者用来获取元素的容器。

在阻塞队列不可用时，这两个附加操作提供了四种处理方式:

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

1.      抛出异常：当队列满时，如果再往队列里插入元素，会抛出IllegalStateException("Queue full")异常。当队列空时，从队列里获取元素会抛出NoSuchElementException异常。

2.      返回特殊值：当往队列插入元素时，会返回元素是否插入成功，成功返回true。如果是移除方法，则是从队列里拿出一个元素，如果没有则返回null。

3.      一直阻塞：当阻塞队列满时，如果生产者继续线程往队列里put元素，队列会一直阻塞生产者线程，直到队列可用或者响应中断退出。当队列空时，如果消费者线程从队列里take元素，队列会阻塞住消费者线程，直到队列不为空。

4.      超时退出：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里插入元素，队列会阻塞生产者线程一段时间，如果超过了指定的时间，生产者线程就会退出。

5.      需要注意的是，如果是无界阻塞队列，因为队列不可能会出现满的情况，所以使用put或offer方法永远不会被阻塞，而且使用offer方法时，该方法永远返回true。

6.      这2个附加操作的四种处理方式不方便记忆，所以我找了下这几个方法的规律。put和take分别尾首含有字母t，offer和poll都含有字母o。

 

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

ArrayBlockingQueue是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。

默认情况下不保证线程公平的访问队列，所谓公平访问队列是指阻塞的线程，可以按照阻塞的先后顺序访问队列，即先阻塞线程先访问队列。非公平性是对先等待的线程是非公平的，当队列可用时，阻塞的线程都可以争夺访问队列的资格，有可能先阻塞的线程最后才访问队列。为了保证公平性通常情况下会降低吞吐量。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 Array BlockingQueue(intcapacity,booleanfair) {        if(capacity <= 0)            throw new IllegalArgumentException();        this.items=new Object[capacity];        lock=new ReentrantLock(fair);        notEmpty=lock.newCondition();        notFull= lock.newCondition(); }

 

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是一个用链表实现的有界阻塞队列。此队列的默认和最大长度为Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。

 

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界阻塞队列。默认情况下元素采取自然顺序升序排列。也可以自定义类实现compareTo方法来指定元素排序规则，或者初始化PriorityBlockingQueue时，指定构造参数Comparator来对元素进行排序。需要注意的是不能保证同优先级元素的顺序。

DelayQueue

DelayQueue是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。

DelayQueue非常有用，我们可以将DelayQueue运用在以下应用场景：

l  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。

l  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，比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。

 

如何实现Delayed接口呢？

DelayQueue队列的元素必须实现Delayed接口。我们可以参考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask类的实现。一共三步，第一步：在对象创建的时候，初始化基本数据。使用time记录当前对象延迟到什么时候可以使用，使用sequenceNumber来标示元素在队列中的先后顺序。代码如下：

private static final AtomicLong sequencer=new AtomicLong(0);   ScheduledFutureTask(Runnable r, V result,longns,longperiod) {            super(r, result);            this.time= ns;            this.period= period;            this.sequenceNumber=sequencer.getAndIncrement(); }

第二步：实现getDelay方法，该方法返回当前元素还需要延时多长时间，单位是毫秒，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，一旦以秒或分作为单位，而延时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。

第三步：实现compareTo方法来指定元素的顺序。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 instance of ScheduledFutureTask) {                 ScheduledFutureTask<?> x = (ScheduledFutureTask<?>)other;                longdiff =time- x.time;                if(diff < 0)                    return -1;                else if(diff > 0)                    return 1;                else if(sequenceNumber< x.sequenceNumber)                    return -1;                else                    return1;             }            long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -                       other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));             return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);         }

 

 

如何实现延时阻塞队列？

延时阻塞队列的实现很简单，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。

longdelay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);  if(delay <= 0)      returnq.poll(); else if(leader!=null)       available.await(); else{       Thread thisThread = Thread.currentThread(); leader= thisThread;         try{                  available.awaitNanos(delay);              }finally{                  if(leader== thisThread)                  leader=null;              }       }

leader是一个等待获取队列头部元素的线程。如果leader不等于空，表示已经有线程在等待获取队列的头元素。所以使用await方法让当前线程等待信号。如果leader等于空，则把当前线程设置成leader，并使用awaitNanos方法让当前线程等待接收信号或等待delay时间。

SynchronousQueue

SynchronousQueue是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。

支持公平访问队列。默认情况下线程采用非公平性策略访问队列。使用以下构造方法可以创建公平性访问的SynchronousQueue，如果设置为true，则等待的线程会采用先进先出的顺序访问队列。

public SynchronousQueue(booleanfair) {        transferer= fair ? newTransferQueue() :newTransferStack();     }

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。

SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue。

 

LinkedTransferQueue

   LinkedTransferQueue是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。则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

    LinkedBlockingDeque是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，不知道是不是Jdk的bug，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

如果队列是空的，消费者会一直等待，当生产者添加元素时候，消费者是如何知道当前队列有元素的呢？如果让你来设计阻塞队列你会如何设计，让生产者和消费者能够高效率的进行通讯呢？让我们先来看看JDK是如何实现的。

使用通知模式实现。所谓通知模式，就是当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞住生产者，当消费者消费了一个队列中的元素后，会通知生产者当前队列可用。通过查看JDK源码发现ArrayBlockingQueue使用了Condition来实现，代码如下：

privatefinalConditionnotFull; privatefinalConditionnotEmpty;   public ArrayBlockingQueue(intcapacity,booleanfair) {         //省略其他代码         notEmpty=lock.newCondition();        notFull= lock.newCondition();     }   public void put(E e)throwsInterruptedException {         checkNotNull(e);        finalReentrantLock lock =this.lock;         lock.lockInterruptibly();        try{            while(count==items.length)                notFull.await();             insert(e);         }finally{             lock.unlock();         } }   public E take()throwsInterruptedException {        finalReentrantLock lock =this.lock;         lock.lockInterruptibly();        try{            while(count== 0)                notEmpty.await();            return extract();         }finally{             lock.unlock();         } }   private void insert(E x) {        items[putIndex] = x;        putIndex= inc(putIndex);         ++count;        notEmpty.signal();     }

当我们往队列里插入一个元素时，如果队列不可用，

阻塞生产者主要通过LockSupport.park(this);来实现

public final void await()throwsInterruptedException {            if(Thread.interrupted())                throw new InterruptedException();            Node node = addConditionWaiter();            int savedState = fullyRelease(node);            int interruptMode = 0;            while(!isOnSyncQueue(node)) {                 LockSupport.park(this);                if((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)                    break;             }            if(acquireQueued(node, savedState) && interruptMode !=THROW_IE)                 interruptMode =REINTERRUPT;            if(node.nextWaiter!=null)// clean up if cancelled                 unlinkCancelledWaiters();            if(interruptMode != 0)                 reportInterruptAfterWait(interruptMode);         }

继续进入源码，发现调用setBlocker先保存下将要阻塞的线程，然后调用unsafe.park阻塞当前线程。

public static void park(Object blocker) {         Thread t = Thread.currentThread();         setBlocker(t, blocker);         unsafe.park(false, 0L);         setBlocker(t,null);     }

unsafe.park是个native方法，代码如下：

public native void park(boolean isAbsolute, long time);

park这个方法会阻塞当前线程，只有以下四种情况中的一种发生时，该方法才会返回。

1.      与park对应的unpark执行或已经执行时。注意：已经执行是指unpark先执行，然后再执行的park。

2.      线程被中断时。

3.      等待完time参数指定的毫秒数时。

4.      异常现象时，这个异常现象没有任何原因。

我们继续看一下JVM是如何实现park方法的，park在不同的操作系统使用不同的方式实现，在Linux下是使用的是系统方法pthread_cond_wait实现。实现代码在JVM源码路径src/os/linux/vm/os_linux.cpp里的os::PlatformEvent::park方法，代码如下：

void os::PlatformEvent::park() {          intv ;          for(;;) {            v = _Event ;          if(Atomic::cmpxchg (v-1, &_Event, v) == v)break;           }           guarantee (v >= 0,"invariant") ;          if(v == 0) {          // Do this the hard way by blocking ...          intstatus = pthread_mutex_lock(_mutex);           assert_status(status == 0, status,"mutex_lock");           guarantee (_nParked == 0,"invariant") ;           ++ _nParked ;           while(_Event < 0) {           status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);          // for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ...          // Treat this the same as if the wait was interrupted          if(status == ETIME) { status = EINTR; }           assert_status(status == 0 || status == EINTR, status,"cond_wait");           }           -- _nParked ;                    // In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(),          // but then we'd need a MEMBAR after the ST.           _Event = 0 ;           status = pthread_mutex_unlock(_mutex);           assert_status(status == 0, status,"mutex_unlock");           }           guarantee (_Event >= 0,"invariant") ;           }       }

pthread_cond_wait是一个多线程的条件变量函数，cond是condition的缩写，字面意思可以理解为线程在等待一个条件发生，这个条件是一个全局变量。这个方法接收两个参数，一个共享变量_cond，一个互斥量_mutex。而unpark方法在linux下是使用pthread_cond_signal实现的。park在windows下则是使用WaitForSingleObject实现的。想知道pthread_cond_wait是如何实现的，可以参考glibc-2.5的nptl/sysdeps/pthread/pthread_cond_wait.c。

 

当线程被阻塞队列阻塞时，线程会进入WAITING (parking)状态。我们可以使用jstack dump阻塞的生产者线程看到这点：

"main" prio=5 tid=0x00007fc83c000000 nid=0x10164e000 waiting on condition [0x000000010164d000]    java.lang.Thread.State: WAITING (parking)         at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)         - parking to wait for  <0x0000000140559fe8> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject)         at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186)         at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2043)         at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.put(ArrayBlockingQueue.java:324)         at blockingqueue.ArrayBlockingQueueTest.main(ArrayBlockingQueueTest.java:11)

 

参考资料

l  JDK6.0阻塞队列API文档

l  JDK1.7源码

l  JVM Park的windows实现

l  JVM Park的linux实现代码