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什么是阻塞队列
7 个阻塞队列
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。
阻塞队列(BlockingQueue)是一个支持两个附加操作的队列。
这两个附加的操作支持阻塞的插入和移除方法。
阻塞队列常用于生产者和消费者的场景,生产者是向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。
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。
// 访问者的公平性是使用可重入锁实现的。
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();
}
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 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 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 运用在以下应用场景。
实现 Delayed 接口,ScheduledThreadPoolExecutor 里 ScheduledFutureTask 类的实现
private static final AtomicLong sequencer = new AtomicLong(0);
ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period){
super(r, result);
// 使用 time 记录当前对象延迟到什么时候可以使用
this.time = ns;
this.period = period;
// 使用 sequenceNumber 来标识元素在队列中的先后顺序
this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}
/*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,
因为实现 getDelay()方法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。*/
// 实现 getDelay 方法,该方法返回当前元素还需要延时多长时间,单位是纳秒
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
}
// 实现 compareTo 方法来指定元素的顺序。例如,让延时时间最长的放在队列的末尾。
public int compareTo(Delayed other) {
if (other == this)// compare zero ONLY if same object
return 0;
if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
ScheduledFutureTask<> x = (ScheduledFutureTask<>) other; long diff = time - x.time;
if (diff < 0) return -1;
else if (diff > 0) return 1;
else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber) return -1;
else return 1;
}
long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
}
实现延时阻塞队列
// 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
long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
if (delay <= 0) return q.poll();
else if (leader != null) available.await();
else {
Thread thisThread = Thread.currentThread();
leader = thisThread;
try {
available.awaitNanos(delay);
} finally {
if (leader == thisThread) leader = null;
}
}
/*变量 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。
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。*/
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。 它支持公平访问队列。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(boolean fair) {
transferer = fair new TransferQueue() :new TransferStack();
}
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,非常适合传递性场景。SynchronousQueue 的吞吐量高于 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。
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*/
// 试图把存放当前元素的 s 节点作为 tail 节点
Node pred = tryAppend(s, haveData);
/* 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。*/
return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);
tryTransfer 方法
tryTransfer 方法是用来试探生产者传入的元素是否能直接传给消费者。
LinkedBlockingDeque 是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。
所谓双向队列指的是可以从队列的两端插入和移出元素。双向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 和 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,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度膨胀。另外,双向阻塞队 列可以运用在“工作窃取”模式中。