【JUC进阶】11. BlockingQueue

目录

1、前言

2、BlockingQueue

2.1、ArrayBlockingQueue

2.1.1、take()

2.1.2、put()

2.2、LinkedBlockingQueue

2.3、PriorityBlockingQueue

2.4、SynchronousQueue

3、简单使用

3.1、创建ArrayBlockingQueue

3.2、Demo

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1、前言

对于并发程序而言，高性能自然是一个我们需要追求的目标，但多线程的开发模式还会引入一个问题，那就是如何进行多个线程间的数据交换和共享呢？而JUC库中提供了多种并发队列和环形缓冲区的实现，为我们提供了高性能和线程安全的数据结构。

2、BlockingQueue

BlockingQueue是Java从JDK5开始在并发包（JUC）内引入的。他之所以适合作为数据交换共享的通道，关键在于他的Blocking上。Blocking是阻塞的意思。当服务线程（服务线程指不断获取队列中的消息，进行处理的线程）处理完成队列中所有的消息后，它如何知道下一条消息何时到来呢？

有两种做法：

1. 不断轮询监控该队列；
2. 监控队列空时，进行等待；当有消息进入队列时，自动唤醒该线程；

很明显第一种方案造成了不必要的资源浪费（线程不停的循环和监控队列）。BlockingQueue则很好的解决了该问题。它会让服务线程在队列为空时进行等待，当有新的消息进入队列后，自动将线程唤醒。

BlockingQueue实际上是个接口。提供了最基本的队列元素操作API，如add()， offer()，put()，take()，poll()，remove()等。

public interface BlockingQueue extends Queue {
    boolean add(E var1);

    boolean offer(E var1);

    void put(E var1) throws InterruptedException;

    boolean offer(E var1, long var2, TimeUnit var4) throws InterruptedException;

    E take() throws InterruptedException;

    E poll(long var1, TimeUnit var3) throws InterruptedException;

    int remainingCapacity();

    boolean remove(Object var1);

    boolean contains(Object var1);

    int drainTo(Collection var1);

    int drainTo(Collection var1, int var2);
}

有4个主要的实现类：ArrayBlockingQueue，LinkedBlockingQueue，PriorityBlockingQueue，SynchronousQueue。

2.1、ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是基于数组实现的有界阻塞队列，内部使用一个可重入锁来保证线程安全。我们主要介绍一下该类，下面其他的都基本类似，以此类来讲一下他是如何实现上面说到的数据共享的。

从官方文档可以看出，他是一个有界队列，他会尝试put成满的队列的元件将导致在操作阻挡；尝试take从空队列的元件将类似地阻塞。

用过队列的小伙伴应该都知道，向队列中压入元素可以使用 offer()方法和 put()方法。对于 offer()方法，如果当前队列已经满了，它就会立即返回 false。如果没有满，则执行正常的入队操作。所以，我们不讨论这个方法。现在，我们需要关注的是 put()方法。put()方法也是将元素压入队列末尾。但如果队列满了，它会一直等待，直到队列中有空闲的位置。

从队列中弹出元素可以使用 poll()方法和 take()方法。它们都从队列的头部获得一个元素。不同之处在于：如果队列为空，那么 poll()方法会直接返回 null，而 take()方法会等待,直到队列内有可用元素。

ArrayBlockingQueue类的内部元素都放置在一个对象数组中：

/** The queued items */
final Object[] items;

因此，put()方法和 take()方法才是体现 Blocking 的关键。为了做好等待和通知两件事，在ArrayBlockingQueue 类内部定义了以下一些字段。

2.1.1、take()

从源码可以看到take()：

/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;

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

当执行 take()操作时，如果队列为空，则让当前线程在 notEmpty 上等待。新元素入以时，则进行一次 notEmpty 上的通知。

notEmpty实际上是个Condition并发类。在前面《【JUC基础】06. 生产者和消费者问题》中有提到过，可以找到该篇文章再熟悉一下。

当代码进行到take()执行到notEmpty.await();时，当前线程会进行等待，当队列中新插入新的元素时，线程便会得到一个通知，自动唤醒。

/**
 * 新增一个元素
 * Inserts element at current put position, advances, and signals.
 * Call only when holding lock.
 */
private void enqueue(E x) {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[putIndex] == null;
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x;
    if (++putIndex == items.length)
        putIndex = 0;
    count++;
    notEmpty.signal();
}

当新元素进入队列后，调用notEmpty.signal();唤醒线程，继续工作。

2.1.2、put()

与take() 类似，put()的操作也是一样的。当队列满的时候，需要让压入的线程等待。

/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;



/**
 * Inserts the specified element at the tail of this queue, waiting
 * for space to become available if the queue is full.
 *
 * @throws InterruptedException {@inheritDoc}
 * @throws NullPointerException {@inheritDoc}
 */
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();
    }
}

当有元素从队列中被取走，队列中出现空位置时，自然也需要通知等待入队的线程。

/**
 * Extracts element at current take position, advances, and signals.
 * Call only when holding lock.
 */
private E dequeue() {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[takeIndex] != null;
    final Object[] items = this.items;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E x = (E) items[takeIndex];
    items[takeIndex] = null;
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0;
    count--;
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    notFull.signal();
    return x;
}

从实现上来说，ArrayBlockingQueue在物理上是一个数字，但在逻辑上来说是个环形结构。由于其数组的特性，其容量在初始化时就已指定，并且无法动态调整。

当有元素加入或离开队列时，总是使用takeIndex和putIndex两个变量分别表示队列头部和尾部元素在数组中的位置。每一次入队和出队操作都会调整这两个重要的索引位置。

private int incCursor(int index) {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    if (++index == items.length)
        index = 0;
    if (index == putIndex)
        index = NONE;
    return index;
}

/**
 * Circularly decrement i.
 */
final int dec(int i) {
    return ((i == 0) ? items.length : i) - 1;
}

可以看出，这两个函数将数组的头尾相接，实现了环形数组。

2.2、LinkedBlockingQueue

与ArrayBlockingQueue类似，LinkedBlockingQueue基于链表实现的可选有界或无界阻塞队列，内部使用两个可重入锁来保证线程安全。这里就不详细展开了。

2.3、PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue则是基于优先级堆实现的无界阻塞队列，元素根据优先级进行排序。

2.4、SynchronousQueue

SynchronousQueue则是一个没有容量的阻塞队列，每个插入操作都必须等待另一个线程的移除操作，适用于直接传递任务的场景。

3、简单使用

ArrayBlockingQueue提供了接口中所有方法的实现BlockingQueue。这些方法用于插入、访问和删除数组阻塞队列中的元素。前面说的put和take是阻塞操作的方法，其他的可以参看API自己尝试。

3.1、创建ArrayBlockingQueue

为了创建数组阻塞队列，我们​​必须导入该java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue包。导入包后，我们可以使用以下方法在 Java 中创建数组阻塞队列：

/**
 * capacity: 数组阻塞队列的大小
 */
ArrayBlockingQueue animal = new ArrayBlockingQueue<>(int capacity);

3.2、Demo

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayBlockingQueue animals = new ArrayBlockingQueue<>(5);

       try {
           //Add elements to animals
           animals.put("Dog");
           animals.put("Cat");
           System.out.println("ArrayBlockingQueue: " + animals);

           // Remove an element
           String element = animals.take();
           System.out.println("Removed Element: " + element);
        }
        catch(Exception e) {
            System.out.println(e);
        }
    }
}

输出：

ArrayBlockingQueue：[Dog，Cat]
Removed Element: Dog