【多线程】（三）阻塞式队列和生产者消费者模型

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一、什么是阻塞式队列

阻塞式队列（Blocking Queue） 是一种特殊的队列，它提供了线程安全的阻塞操作，以实现在队列为空或已满时的等待和阻塞。

阻塞式队列通常用于多线程环境下的生产者-消费者模型，其中生产者线程向队列中插入元素，消费者线程从队列中获取元素。阻塞式队列提供了一种同步机制，使得生产者线程在队列已满时等待插入，而消费者线程在队列为空时等待获取。

阻塞式队列的常用操作包括：

1. 插入元素：

   • put(element): 在队列的尾部插入指定元素，如果队列已满，则阻塞等待空间可用。

2. 获取元素：

   • take(): 从队列的头部获取并删除元素，如果队列为空，则阻塞等待元素可用。

阻塞式队列的特点是提供了线程安全的阻塞操作，简化了多线程环境下的同步管理。通过阻塞式队列，可以实现高效的生产者-消费者模型，并且避免了手动进行线程间的等待和通知操作。

二、Java库中的阻塞式队列

Java标准库中提供了多个阻塞式队列的实现，下面是几个常用的阻塞式队列实现及其说明：

阻塞式队列实现	说明
ArrayBlockingQueue	基于数组的有界阻塞队列。在创建时需要指定容量，插入操作会在队列已满时阻塞，获取操作会在队列为空时阻塞。
LinkedBlockingQueue	基于链表的可选有界或无界阻塞队列。如果在创建时指定容量，则是有界队列；如果没有指定容量，则是无界队列。无界队列可以在没有上限的情况下存储元素。
PriorityBlockingQueue	基于优先级的无界阻塞队列。元素按照指定的优先级顺序进行排序，每次获取操作会返回具有最高优先级的元素。
DelayQueue	基于延迟时间的无界阻塞队列。队列中的元素必须实现 Delayed 接口，元素的延迟时间决定了元素可以从队列中获取的时间。
SynchronousQueue	一个没有存储的阻塞队列。每个插入操作必须等待相应的删除操作，反之亦然。它主要用于线程之间的直接传输数据。

这些阻塞式队列的实现都位于 java.util.concurrent 包下，都是线程安全的，适用于多线程环境下的并发编程。它们提供了不同的功能和特性，可以根据具体的需求选择合适的实现方式。通过使用这些阻塞式队列，可以简化多线程编程中的同步管理，并提高系统的性能和可靠性。

三、阻塞式队列的模拟实现

实现代码如下：

class MyBlockingQueue {
    // 尾入头出
    private int[] items = new int[1000]; // [head, tail)
    private int head = 0;
    private int tail = 0;
    private int size = 0;

    // 入队列
    public void put(int value) throws InterruptedException {
        synchronized (this) {

            // 当wait被唤醒了，此时的if条件可能还成立，因此将if改成while
            /*if (size == items.length) {
                // 如果队列满了，要进行阻塞
                this.wait();
                // return;
            }*/

            while (size == items.length) {
                // 如果队列满了，要进行阻塞
                this.wait();
            }


            items[tail] = value;
            tail++;

            // 方式一：不直观
            // tail = tail % items.length;

            // 方式二：直观、效率比求余更高
            if (tail >= items.length) {
                tail = 0;
            }

            size++;
            // 生产一个元素，唤醒出队操作
            this.notify();
        }
    }

    // 出队列
    public int take() throws InterruptedException {
        int result = 0;
        synchronized (this) {
            /*if (size == 0) {
                // 队列为空，要进行阻塞
                this.wait();
                // return null;
            }*/

            while (size == 0) {
                // 队列为空，要进行阻塞
                this.wait();
            }

            result = items[head];
            head++;
            if (head >= items.length) {
                head = 0;
            }
            size--;
            // 消耗一个元素，唤醒入队操作
            this.notify();
        }
        return result;
    }

}

以上代码实现了一个简单的阻塞队列（MyBlockingQueue），代码使用一个长度为1000的整数数组（items）作为队列的存储容器，head和tail分别表示队列的头部和尾部的索引，size表示队列中当前元素的数量。

入队操作（put方法）：

• 使用synchronized关键字对方法进行同步，确保在多线程环境下的线程安全性。
• 当队列已满时，使用while循环而不是if语句进行等待，以避免线程被意外唤醒后直接执行后续操作。
• 当队列有空间时，将元素放入队列的尾部（tail索引位置），并更新tail的值。
• 对tail的更新有两种方式，方式一是使用取模操作将tail限制在数组范围内，方式二是通过条件判断来重置tail的值。
• 增加队列的元素数量（size++）并唤醒可能在等待中的出队操作。

出队操作（take方法）：

• 同样使用synchronized关键字对方法进行同步，确保在多线程环境下的线程安全性。
• 当队列为空时，使用while循环而不是if语句进行等待，以避免线程被意外唤醒后直接执行后续操作。
• 当队列非空时，取出队列头部（head索引位置）的元素，并更新head的值。
• 对head的更新采用方式二，如果head超出了数组的范围（head >= items.length），则将head重置为0。
• 减少队列的元素数量（size–）并唤醒可能在等待中的入队操作。

四、生产者消费者模型

4.1 什么是生产者消费者模型

生产者-消费者模型是一种常见的并发编程模型，用于协调多个线程之间的数据交换和任务处理。在该模型中，有两类角色：生产者和消费者。

• 生产者（Producer）：生产者负责生成（生产）数据或任务，并将其放入共享的数据结构（例如队列）中。生产者可以是单个线程或多个并发线程。

• 消费者（Consumer）：消费者负责从共享的数据结构中获取（消费）数据或任务，并进行相应的处理。消费者可以是单个线程或多个并发线程。

生产者-消费者模型的主要目标是解耦生产者和消费者，使它们能够独立运行，并以不同的速度进行操作。通过引入共享的数据结构，可以在生产者和消费者之间建立一种同步机制，以确保线程安全和正确的数据交换顺序。

在实际应用中，生产者-消费者模型具有广泛的应用场景，例如多线程任务处理、消息队列、线程池等。它能够有效地利用系统资源，提高系统的并发性和响应性。

4.2 基于阻塞队列实现简单的生产者消费者模型

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingDeque<Integer> blockingDeque = new LinkedBlockingDeque<>();

        // 创建两个线程，t1作为生产者，t2作为消费者
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            int count = 0;
            while (true){
                try {
                    System.out.println("线程t1生产元素：" + count);
                    blockingDeque.put(count);
                    count++;
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            while (true){
                Integer res = null;
                try {
                    res = blockingDeque.take();
                    // Thread.sleep(500);
                    System.out.println("线程t2消费元素：" + res);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

这段代码是一个简单的示例，演示了使用阻塞队列实现的生产者-消费者模型。

代码中创建了一个BlockingDeque类型的阻塞队列blockingDeque，使用LinkedBlockingDeque作为具体的实现。这个阻塞队列可以存储整数类型的元素，并且支持阻塞的插入和移除操作。

然后，创建了两个线程：t1和t2，分别作为生产者和消费者。

• 生产者线程（t1）使用一个无限循环来模拟持续的生产操作。在每次循环中，它先打印当前生产的元素值，然后使用blockingDeque.put(count)将元素放入阻塞队列中。blockingDeque.put(count)是一个阻塞操作，如果队列已满，生产者线程会被阻塞，直到队列有空间可用。之后，生产者线程将计数值递增，并通过Thread.sleep(500)休眠一段时间，模拟生产的间隔。

• 消费者线程（t2）同样使用一个无限循环来模拟持续的消费操作。在每次循环中，它使用blockingDeque.take()从阻塞队列中取出一个元素。blockingDeque.take()也是一个阻塞操作，如果队列为空，消费者线程会被阻塞，直到队列有元素可取。取出的元素被赋值给res变量，并打印出消费的元素值。然后，消费者线程继续下一轮循环。

这段代码演示了使用阻塞队列作为生产者和消费者之间的缓冲区，通过阻塞队列的阻塞和唤醒机制，实现了线程间的同步和数据交换。生产者线程不需要关心消费者线程的状态，消费者线程也不需要关心生产者线程的状态，它们通过共享的阻塞队列实现了解耦和线程安全。