Java 通过阻塞队列实现生产者消费者模式

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阻塞队列 Blocking Queue

  • 当队列空时,获取元素的线程会等待
  • 当队列满时,存储元素的线程会等待

提供的方法:

  • 插入元素:

    • add(e):抛出异常
    • offer(e):返回特殊值
    • put(e):一直阻塞
    • offer(e,time,unit):超时退出
  • 移除元素:

    • remove():抛出异常
    • poll():返回特殊值
    • take():一直阻塞
    • poll(time,unit):超时退出

JDK 7 提供了 7 个阻塞队列

  • ArrayBlockingQueue :一个由数组结构组成的 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。
    • 默认情况下不保证访问者公平的访问队列,所谓公平访问队列是指阻塞的所有生产者线程或消费者线程,当队列可用时,可以按照阻塞的先后顺序访问队列,即先阻塞的生产者线程,可以先往队列里插入元素,先阻塞的消费者线程,可以先从队列里获取元素。通常情况下为了保证公平性会降低吞吐量。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);
  • LinkedBlockingQueue :一个由链表结构组成的 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。
  • PriorityBlockingQueue :一个支持优先级排序的 无界 阻塞队列。
    • 默认情况下元素采取自然顺序排列,也可以通过比较器 comparator 来指定元素的排序规则。元素按照升序排列。
  • DelayQueue:一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。
  • 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。

关于 通过 wait 和 notify 实现生产者消费者模式,可以参考 链接。
关于 通过 Lock 和 竞争条件 Condition 实现生产者消费者模式,可以参考 链接。

利用阻塞队列实现生产者消费者模式,代码如下:

public class BlockingQueue_Test {
    private static final int MAX_CAPACITY = 10;
    private static ArrayBlockingQueue goods = new ArrayBlockingQueue(MAX_CAPACITY);

    public static void main(String[] args) {
        (new ProducerThread()).start();

        (new ConsumerThread()).start();
    }

    static class ProducerThread extends Thread {
        public void run() {
            while (true) {
                // 每隔 1000 毫秒生产一个商品
                try {
                    Thread.sleep(1000);

                    goods.put(new Object());
                    System.out.println("Produce goods, total: " + goods.size());
                } catch (InterruptedException e) {
                }
            }
        }
    }

    static class ConsumerThread extends Thread {
        public void run() {
            while (true) {
                // 每隔 500 毫秒消费一个商品
                try {
                    Thread.sleep(500);

                    goods.take();
                    System.out.println("Consume goods, total: " + goods.size());
                } catch (InterruptedException e) {
                }
            }
        }
    }
}
 
 

阻塞队列的实现原理

ArrayBlockingQueue 为例,实际上使用了 ReentrantLock 和 Condition。

构造方法:

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
    if (capacity <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    this.items = new Object[capacity];
    lock = new ReentrantLock(fair);
    notEmpty = lock.newCondition();
    notFull =  lock.newCondition();
}

插入元素,如果队列已满,则阻塞 notFull.await();:

public void put(E e) throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == items.length)
            notFull.await();
        enqueue(e);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

移除元素,如果队列已空,则阻塞 notEmpty.await();:

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == 0)
            notEmpty.await();
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

引用:
聊聊并发(七)——Java中的阻塞队列

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