什么是BlockingQueue?一次性说清了

最近在研究一些并发方面的技术其中研究到阻塞队列(BlockingQueue)的时候做了写笔记文档 大家可以一起探讨一下 :

BlockingQueue,是  java.util.concurrent  包提供的用于解决并发生产者 - 消费者问题的最有用的类。

它的特性是在任意时刻只有一个线程可以进行take或者put操作,并且BlockingQueue提供了超时return null的机制,在许多生产场景里都可以看到这个工具的身影。

一、队列类型

1.无限队列 (unbounded queue ) - 几乎可以无限增长

2.有限队列 ( bounded queue ) - 定义了最大容量

二、队列数据结构

队列实质就是一种存储数据的结构

  • 通常用链表或者数组实现

  • 一般而言队列具备FIFO先进先出的特性,当然也有双端队列(Deque)优先级队列

  • 主要操作:入队(EnQueue)与出队(Dequeue)

什么是BlockingQueue?一次性说清了_第1张图片

三、常见的4中阻塞队列

  • ArrayBlockingQueue 由数组支持的有界队列

  • LinkedBlockingQueue 由链接节点支持的可选有界队列

  • PriorityBlockingQueue 由优先级堆支持的无界优先级队列

  • DelayQueue 由优先级堆支持的、基于时间的调度队列

1.ArrayBlockingQueue

队列基于数组实现,容量大小在创建ArrayBlockingQueue对象时已定义好数据结构如下图:

       

什么是BlockingQueue?一次性说清了_第2张图片

①队列创建:

 BlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>();

②应用场景:

在线程池中有比较多的应用,生产者消费者场景

③工作原理:

基于ReentrantLock保证线程安全,根据Condition实现队列满时的阻塞

2.LinkedBlockingQueue

是一个基于链表的无界队列(理论上有界)

  BlockingQueue blockingQueue = new LinkedBlockingQueue<>();

上面这段代码中,blockingQueue 的容量将设置为 Integer.MAX_VALUE 。

向无限队列添加元素的所有操作都将永远不会阻塞,[注意这里不是说不会加锁保证线程安全],因此它可以增长到非常大的容量。

使用无限 BlockingQueue 设计生产者 - 消费者模型时最重要的是 消费者应该能够像生产者向队列添加消息一样快地消费消息 。

否则,内存可能会填满,然后就会得到一个 OutOfMemory 异常。

3.DelayQueue 

由优先级堆支持的、基于时间的调度队列,内部基于无界队列PriorityQueue实现,而无界队列基于数组的扩容实现。

①队列创建:

 BlockingQueue blockingQueue = new DelayQueue();      

②要求:

入队的对象必须要实现Delayed接口,而Delayed集成自Comparable接口

③应用场景:

电影票

④工作原理:

队列内部会根据时间优先级进行排序。延迟类线程池周期执行。

4.BlockingQueue API

BlockingQueue 接口的所有方法可以分为两大类:负责向队列添加元素的方法和检索这些元素的方法。在队列满/空的情况下,来自这两个组的每个方法的行为都不同。

①添加元素

方法

说明

add()

如果插入成功则返回 true,否则抛出 IllegalStateException 异常

put()

将指定的元素插入队列,如果队列满了,那么会阻塞直到有空间插入

offer()

如果插入成功则返回 true,否则返回 false

offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)

尝试将元素插入队列,如果队列已满,那么会阻塞直到有空间插入

②检索元素

方法

说明

take()

获取队列的头部元素并将其删除,如果队列为空,则阻塞并等待元素变为可用

poll(long timeout, TimeUnit unit)

检索并删除队列的头部,如有必要,等待指定的等待时间以使元素可用,如果超时,则返回 null

在构建生产者 - 消费者程序时,这些方法是 BlockingQueue 接口中最重要的构建块。

四、多线程生产者-消费者示例

接下来我们创建一个由两部分组成的程序 - 生产者 ( Producer ) 和消费者 ( Consumer ) 。

生产者将生成一个 0 到 100 的随机数(十全大补丸的编号),并将该数字放在 BlockingQueue 中。

我们将创建 16 个线程(潘金莲)用于生成随机数并使用 put() 方法阻塞,直到队列中有可用空间。

需要记住的重要一点是,我们需要阻止我们的消费者线程无限期地等待元素出现在队列中。

从生产者(潘金莲)向消费者(武大郎)发出信号的好方法是,不需要处理消息,而是发送称为毒 ( poison ) 丸 ( pill ) 的特殊消息。

我们需要发送尽可能多的毒 ( poison ) 丸 ( pill ) ,因为我们有消费者(武大郎)。

然后当消费者从队列中获取特殊的毒 ( poison ) 丸 ( pill )消息时,它将优雅地完成执行。

以下生产者的代码:


@Slf4j
public class NumbersProducer implements Runnable {
private final int poisonPill;
private final int poisonPillPerProducer;
private BlockingQueue numbersQueue;
public NumbersProducer(BlockingQueue numbersQueue,
int poisonPill,
int poisonPillPerProducer) {
this.numbersQueue = numbersQueue;
this.poisonPill = poisonPill;
this.poisonPillPerProducer = poisonPillPerProducer;
  }
@Override
  public void run() {
try {
      generateNumbers ();
    } catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread ().interrupt ();
    }
  }
private void generateNumbers() throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
numbersQueue.put (ThreadLocalRandom.current ().nextInt (100));
      log.info ("潘金莲-{}号,给武大郎的泡药!", Thread.currentThread ().getId ());
    }
for (int j = 0; j < poisonPillPerProducer; j++) {
numbersQueue.put (poisonPill);
      log.info ("潘金莲-{}号,往武大郎的药里放入第{}颗毒丸!", Thread.currentThread ().getId (), j + 1);
    }
  }
}

我们的生成器构造函数将 BlockingQueue 作为参数,用于协调生产者和使用者之间的处理。

我们看到方法 generateNumbers() 将 100 个元素(生产100副药给武大郎吃)放入队列中。

它还需要有毒 ( poison ) 丸 ( pill ) (潘金莲给武大郎下毒)消息,以便知道在执行完成时放入队列的消息类型。

该消息需要将 poisonPillPerProducer 次放入队列中。

每个消费者将使用 take() 方法从 BlockingQueue 获取一个元素,因此它将阻塞,直到队列中有一个元素。

从队列中取出一个 Integer 后,它会检查该消息是否是毒 ( poison ) 丸 ( pill )(武大郎看潘金莲有没有下毒) ,如果是,则完成一个线程的执行。

否则,它将在标准输出上打印出结果以及当前线程的名称。​​​​​​​

@Slf4j
public class NumbersConsumer implements Runnable {
private final int poisonPill;
private BlockingQueue queue;
public NumbersConsumer(BlockingQueue queue, int poisonPill) {
this.queue = queue;
this.poisonPill = poisonPill;
  }
@Override
  public void run() {
try {
while (true) {
Integer number = queue.take ();
if (number.equals (poisonPill)) {
return;
        }
        log.info ("武大郎-{}号,喝药-编号:{}", Thread.currentThread ().getId (), number);
      }
    } catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread ().interrupt ();
    }
  }
}

需要注意的重要事项是队列的使用。

与生成器构造函数中的相同,队列作为参数传递。

我们可以这样做,是因为 BlockingQueue 可以在线程之间共享而无需任何显式同步。

既然我们有生产者和消费者,我们就可以开始我们的计划。我们需要定义队列的容量,并将其设置为 10个元素。

我们创建4 个生产者线程,并且创建等于可用处理器数量的消费者线程:


public class Main {
public static void main(String[] args) {
int BOUND = 10;
int N_PRODUCERS = 16;
int N_CONSUMERS = Runtime.getRuntime ().availableProcessors ();
int poisonPill = Integer.MAX_VALUE;
int poisonPillPerProducer = N_CONSUMERS / N_PRODUCERS;
int mod = N_CONSUMERS % N_PRODUCERS;
    BlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue<> (BOUND);
//潘金莲给武大郎熬药
    for (int i = 1; i < N_PRODUCERS; i++) {
new Thread (new NumbersProducer (queue, poisonPill, poisonPillPerProducer)).start ();
    }
//武大郎开始喝药
    for (int j = 0; j < N_CONSUMERS; j++) {
new Thread (new NumbersConsumer (queue, poisonPill)).start ();
    }
//潘金莲开始投毒,武大郎喝完毒药GG
    new Thread (new NumbersProducer (queue, poisonPill, poisonPillPerProducer + mod)).start ();
  }
}

BlockingQueue 是使用具有容量的构造创建的。我们正在创造 4 个生产者和 N 个消费者(武大郎)。

我们将我们的毒 ( poison ) 丸 ( pill )消息指定为 Integer.MAX_VALUE,因为我们的生产者在正常工作条件下永远不会发送这样的值。

这里要注意的最重要的事情是 BlockingQueue 用于协调它们之间的工作。

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