阻塞队列和生产者-消费者模式
阻塞队列和生产者-消费者模式
阻塞队列提供了可阻塞的put 和take方法，以及支持定时的offer 和poll方法。如果队列已经满了，那么put 方法将阻塞直到有空间可用；如果队列为空，那么take方法将会阻塞直到有元素可用。队列可以是有界的也可以是无界的，无界队列永远都不会充满，因此无界队列上的put 方法也永远不会阻塞。
阻塞队列支持生产者-消费者这种设计模式。该模式将“找出需要完成的工作”与“执行工作”这两个过程分离开来，并把工作项放入一个“待完成”列表中以便在随后处理，而不是找出后立即处理。生产者-消费者模式能简化开发过程，因为它消除了生产者类和消费者类之间的代码依赖性，此外，该模式还将生产数据的过程与使用数据的过程解耦开来以简化工作负载的管理，因为这两个过程在处理数据的速率上有所不同。
在基于阻塞队列构建的生产者-消费者设计中，当数据生成时，生产者把数据放入队列，而当消费者准备处理数据时，将从队列中获取数据。生产者不需要知道消费者的标识或数量，或者它们是否是唯一的生产者，而只需将数据放入队列即可。同样，消费者也不需要知道生产者是谁，或者工作来自何处。BlockingQueue简化了生产者-消费者设计的实现过程，它支持任意数量的生产者和消费者。一种最常见的生产者-消费者设计模式就是线程池与工作队列的组合，在Executor任务执行框架中就体现了这种模式，这也是第6章和第8章的主题。
以两个人洗盘子为例，二者的劳动分工也是一种生产者-消费者模式：其中一个人把洗好的盘子放在盘架上，而另一个人从盘架上取出盘子并把它们烘干。在这个示例中，盘架相当于阻塞队列。如果盘架上没有盘子，那么消费者会一直等待，直到有盘子需要烘干。如果盘架放满了，那么生产者会停止清洗直到盘架上有更多的空间。我们可以将这种类比扩展为多个生产者(虽然可能存在对水槽的竞争)和多个消费者，每个工人只需与盘架打交道。人们不需要知道究竟有多少生产者或消费者，或者谁生产了某个指定的工作项。
“生产者”和“消费者”的角色是相对的，某种环境中的消费者在另一种不同的环境中可能会成为生产者。烘干盘子的工人将“消费”洗干净的湿盘子，而产生烘干的盘子。第三个人把洗干净的盘子整理好，在这种情况中，烘干盘子的工人既是消费者，也是生产者，从而就有了两个共享的工作队列(每个队列都可能阻塞烘干工作的运行)。
阻塞队列简化了消费者程序的编码，因为take 操作会一直阻塞直到有可用的数据。如果生产者不能尽快地产生工作项使消费者保持忙碌，那么消费者就只能一直等待，直到有工作可做。在某些情况下，这种方式是非常合适的(例如，在服务器应用程序中，没有任何客户请求服务)，而在其他一些情况下，这也表示需要调整生产者线程数量和消费者线程数量之间的比率，从而实现更高的资源利用率(例如，在“网页爬虫[Web Crawler]”或其他应用程序中，有无穷的工作需要完成)。
如果生产者生成工作的速率比消费者处理工作的速率快，那么工作项会在队列中累积起来，最终耗尽内存。同样， put方法的阻塞特性也极大地简化了生产者的编码。如果使用有界队列，那么当队列充满时，生产者将阻塞并且不能继续生成工作，而消费者就有时间来赶上工作处理进度。
阻塞队列同样提供了一个offer方法，如果数据项不能被添加到队列中，那么将返回一个失败状态。这样你就能够创建更多灵活的策略来处理负荷过载的情况，例如减轻负载，将多余的工作项序列化并写入磁盘，减少生产者线程的数量，或者通过某种方式来抑制生产者线程。
在构建高可靠的应用程序时，有界队列是一种强大的资源管理工具：它们能抑制并防止产生过多的工作项，使应用程序在负荷过载的情况下变得更加健壮。
虽然生产者-消费者模式能够将生产者和消费者的代码彼此解耦开来，但它们的行为仍然会通过共享工作队列间接地耦合在一起。开发人员总会假设消费者处理工作的速率能赶上生产者生成工作项的速率，因此通常不会为工作队列的大小设置边界，但这将导致在之后需要重新设计系统架构。因此，应该尽早地通过阻塞队列在设计中构建资源管理机制---这件事请做得越早，就越容易。在许多情况下，阻塞队列能使这项工作更加简单，如果阻塞队列并不完全符合设计需求，那么还可以通过信号量(Semaphore)来创建其他的阻塞数据结构
在类库中包含了BlockingQueue 的多种实现,其中,LinkedBlockingQueue和ArrayBlocking-Queue 是FIFO 队列,二者分别与LinkedList和ArrayList类似,但比同步List 拥有更好的并发性能。PriorityBlockingQueue是一个按优先级排序的队列,当你希望按照某种顺序而不是FIFO来处理元素时，这个队列将非常有用。正如其他有序的容器一样，PriorityBlockingQueue既可以根据元素的自然顺序来比较元素(如果它们实现了Comparable 方法)，也可以使用Comparator 来比较。
最后一个BlockingQueue 实现是SynchronousQueue,实际上它不是一个真正的队列,因为它不会为队列中元素维护存储空间。与其他队列不同的是，它维护一组线程，这些线程在等待着把元素加入或移出队列。如果以洗盘子的比喻为例，那么这就相当于没有盘架，而是将洗好的盘子直接放入下一个空闲的烘干机中。这种实现队列的方式看似很奇怪，但由于可以直接交付工作，从而降低了将数据从生产者移动到消费者的延迟。(在传统的队列中，在一个工作单元可以交付之前，必须通过串行方式首先完成入列[Enqueue]或者出列[Dequeue]等操作。)直接交付方式还会将更多关于任务状态的信息反馈给生产者。当交付被接受时，它就知道消费者已经得到了任务，而不是简单地把任务放入一个队列----这种区别就好比将文件直接交给同事，还是将文件放到她的邮箱中并希望她能尽快拿到文件。因为SynchronousQueue 没有存储功能，因此put 和take 会一直阻塞，直到有另一个线程已经准备好参与到交付过程中。仅当有足够多的消费者，并且总是有一个消费者准备好获取交付的工作时，才适合使用同步队列。
有一种类型的程序适合被分解为生产者和消费者，例如代理程序，它将扫描本地驱动器上的文件并建立索引以便随后进行搜索，类似于某些桌面搜索程序或者Windows索引服务。在程序清单5-8 的DiskCrawler 中给出了一个生产者任务，即在某个文件层次结构中搜索符合索引标准的文件，并将它们的名称放入工作队列。而且，在Indexer中还给出了一个消费者任务，即从队列中取出文件名称并对它们建立索引。
public class FileCrawler implements Runnable {
private final BlockingQueue
private final FileFilter fileFilter;
private final File root;
· · ·
public void run(){
try {
crawl(root);
}catch (InterruptedException e){
Thread. currentThread(). interrupt();
}
}
private void crawl(File root) throws InterruptedException {
File[]entries =root. listFiles(fileFilter);
if (entries !=null){
for (File entry :entries)
if (entry. isDirectory())
crawl(entry);
else if (!alreadyIndexed(entry))
fileQueue. put(entry);
}
}
}
public class Indexer implements Runnable {
private final BlockingQueue
public Indexer(BlockingQueue
this. queue =queue;
}
public void run(){
try {
while (true)
indexFile(queue. take());
}catch (Interrupted Exceptione){
Thread. currentThread(). interrupt();
}
}
}
生产者-消费者模式提供了一种适合线程的方法将桌面搜索问题分解为更简单的组件。将文件遍历与建立索引等功能分解为独立的操作，比将所有功能都放到一个操作中实现有着更高的代码可读性和可重用性：每个操作只需完成一个任务，并且阻塞队列将负责所有的控制流，因此每个功能的代码都更加简单和清晰。
生产者-消费者模式同样能带来许多性能优势。生产者和消费者可以并发地执行。如果一个是I/O密集型，另一个是CPU密集型，那么并发执行的吞吐率要高于串行执行的吞吐率。如果生产者和消费者的并行度不同，那么将它们紧密耦合在一起会把整体并行度降低为二者中更小的并行度。
在程序清单5-9 中启动了多个爬虫程序和索引建立程序，每个程序都在各自的线程中运行。前面曾讲，消费者线程永远不会退出，因而程序无法终止，第7章将介绍多种技术来解决这个问题。虽然这个示例使用了显式管理的线程，但许多生产者-消费者设计也可以通过Executor 任务执行框架来实现，其本身也使用了生产者-消费者模式。
public static void startIndexing(File[]roots){
BlockingQueue
FileFilter filter =new FileFilter(){
public boolean accept (File file){return true;}
} ;
for (File root :roots)
new Thread(new FileCrawler(queue, filter, root)). start();
for( int i=0;i
new Thread(new Indexer(queue)). start();
}
在java. util. concurrent 中实现的各种阻塞队列都包含了足够的内部同步机制，从而安全地将对象从生产者线程发布到消费者线程。
对于可变对象，生产者-消费者这种设计与阻塞队列一起，促进了串行线程封闭，从而将对象所有权从生产者交付给消费者。线程封闭对象只能由单个线程拥有，但可以通过安全地发布该对象来“转移”所有权。在转移所有权后，也只有另一个线程能获得这个对象的访问权限，并且发布对象的线程不会再访问它。这种安全的发布确保了对象状态对于新的所有者来说是可见的，并且由于最初的所有者不会再访问它，因此对象将被封闭在新的线程中。新的所有
者线程可以对该对象做任意修改，因为它具有独占的访问权。
对象池利用了串行线程封闭，将对象“借给”一个请求线程。只要对象池包含足够的内部同步来安全地发布池中的对象，并且只要客户代码本身不会发布池中的对象，或者在将对象返回给对象池后就不再使用它，那么就可以安全地在线程之间传递所有权。
我们也可以使用其他发布机制来传递可变对象的所有权，但必须确保只有一个线程能接受被转移的对象。阻塞队列简化了这项工作。除此之外，还可以通过ConcurrentMap的原子方法remove 或者AtomicReference 的原子方法compareAndSet来完成这项工作。
双端队列与工作密取
Java 6 增加了两种容器类型, Deque(发音为“deck”)和BlockingDeque,它们分别对Queue 和BlockingQueue 进行了扩展。Deque 是一个双端队列,实现了在队列头和队列尾的高效插入和移除。具体实现包括ArrayDeque 和LinkedBlockingDeque。
正如阻塞队列适用于生产者-消费者模式，双端队列同样适用于另一种相关模式，即工作密取(Work Stealing)。在生产者-消费者设计中，所有消费者有一个共享的工作队列，而在工作密取设计中，每个消费者都有各自的双端队列。如果一个消费者完成了自己双端队列中的全部工作，那么它可以从其他消费者双端队列末尾秘密地获取工作。密取工作模式比传统的生产者-消费者模式具有更高的可伸缩性，这是因为工作者线程不会在单个共享的任务队列上发生竞争。在大多数时候，它们都只是访问自己的双端队列，从而极大地减少了竞争。当工作者线程需要访问另一个队列时，它会从队列的尾部而不是从头部获取工作，因此进一步降低了队列上的竞争程度。
工作密取非常适用于既是消费者也是生产者问题——当执行某个工作时可能导致出现更多的工作。例如，在网页爬虫程序中处理一个页面时，通常会发现有更多的页面需要处理。类似的还有许多搜索图的算法，例如在垃圾回收阶段对堆进行标记，都可以通过工作密取机制来实现高效并行。当一个工作线程找到新的任务单元时，它会将其放到自己队列的末尾(或者在工作共享设计模式中，放入其他工作者线程的队列中)。当双端队列为空时，它会在另一个线程的队列队尾查找新的任务，从而确保每个线程都保持忙碌状态。