多线程与高并发--------阻塞队列
四、阻塞队列
一、基础概念
1.1 生产者消费者概念
生产者消费者是设计模式的一种。让生产者和消费者基于一个容器来解决强耦合问题。
生产者 消费者彼此之间不会直接通讯的，而是通过一个容器（队列）进行通讯。
所以生产者生产完数据后扔到容器中，不通用等待消费者来处理。
消费者不需要去找生产者要数据，直接从容器中获取即可。
而这种容器最常用的结构就是队列。
1.2 JUC阻塞队列的存取方法
常用的存取方法都是来自于JUC包下的BlockingQueue
生产者存储方法
add(E) // 添加数据到队列，如果队列满了，无法存储，抛出异常
offer(E) // 添加数据到队列，如果队列满了，返回false
offer(E,timeout,unit) // 添加数据到队列，如果队列满了，阻塞timeout时间，如果阻塞一段时间，依然没添加进入，返回false
put(E) // 添加数据到队列，如果队列满了，挂起线程，等到队列中有位置，再扔数据进去，死等！
消费者取数据方法
remove() // 从队列中移除数据，如果队列为空，抛出异常
poll() // 从队列中移除数据，如果队列为空，返回null，么的数据
poll(timeout,unit) // 从队列中移除数据，如果队列为空，挂起线程timeout时间，等生产者扔数据，再获取
take() // 从队列中移除数据，如果队列为空，线程挂起，一直等到生产者扔数据，再获取
二、ArrayBlockingQueue
2.1 ArrayBlockingQueue的基本使用
ArrayBlockingQueue在初始化的时候，必须指定当前队列的长度。
因为ArrayBlockingQueue是基于数组实现的队列结构，数组长度不可变，必须提前设置数组长度信息。
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException, IOException {
// 必须设置队列的长度
ArrayBlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(4);
// 生产者扔数据
queue.add("1");
queue.offer("2");
queue.offer("3",2,TimeUnit.SECONDS);
queue.put("2");
// 消费者取数据
System.out.println(queue.remove());
System.out.println(queue.poll());
System.out.println(queue.poll(2,TimeUnit.SECONDS));
System.out.println(queue.take());
}
2.2 生产者方法实现原理
生产者添加数据到队列的方法比较多，需要一个一个查看
2.2.1 ArrayBlockingQueue的常见属性
ArrayBlockingQueue中的成员变量
lock = 就是一个ReentrantLock
count = 就是当前数组中元素的个数
iterms = 就是数组本身
# 基于putIndex和takeIndex将数组结构实现为了队列结构
putIndex = 存储数据时的下标
takeIndex = 去数据时的下标
notEmpty = 消费者挂起线程和唤醒线程用到的Condition（看成sync的wait和notify）
notFull = 生产者挂起线程和唤醒线程用到的Condition（看成sync的wait和notify）
2.2.2 add方法实现
add方法本身就是调用了offer方法，如果offer方法返回false，直接抛出异常
public boolean add(E e) {
if (offer(e))
return true;
else
// 抛出的异常
throw new IllegalStateException("Queue full");
}
2.2.3 offer方法实现
public boolean offer(E e) {
// 要求存储的数据不允许为null，为null就抛出空指针
checkNotNull(e);
// 当前阻塞队列的lock锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 为了保证线程安全，加锁
lock.lock();
try {
// 如果队列中的元素已经存满了，
if (count == items.length)
// 返回false
return false;
else {
// 队列没满，执行enqueue将元素添加到队列中
enqueue(e);
// 返回true
return true;
}
} finally {
// 操作完释放锁
lock.unlock();
}
}
//==========================================================
private void enqueue(E x) {
// 拿到数组的引用
final Object[] items = this.items;
// 将元素放到指定位置
items[putIndex] = x;
// 对inputIndex进行++操作，并且判断是否已经等于数组长度，需要归位
if (++putIndex == items.length)
// 将索引设置为0
putIndex = 0;
// 元素添加成功，进行++操作。
count++;
// 将一个Condition中阻塞的线程唤醒。
notEmpty.signal();
}
2.2.4 offer(time,unit)方法
生产者在添加数据时，如果队列已经满了，阻塞一会。
- 阻塞到消费者消费了消息，然后唤醒当前阻塞线程
- 阻塞到了time时间，再次判断是否可以添加，不能，直接告辞。
// 如果线程在挂起的时候，如果对当前阻塞线程的中断标记位进行设置，此时会抛出异常直接结束
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
// 非空检验
checkNotNull(e);
// 将时间单位转换为纳秒
long nanos = unit.toNanos(timeout);
// 加锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 允许线程中断并排除异常的加锁方式
lock.lockInterruptibly();
try {
// 为什么是while（虚假唤醒）
// 如果元素个数和数组长度一致，队列慢了
while (count == items.length) {
// 判断等待的时间是否还充裕
if (nanos <= 0)
// 不充裕，直接添加失败
return false;
// 挂起等待，会同时释放锁资源（对标sync的wait方法）
// awaitNanos会挂起线程，并且返回剩余的阻塞时间
// 恢复执行时，需要重新获取锁资源
nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
}
// 说明队列有空间了，enqueue将数据扔到阻塞队列中
enqueue(e);
return true;
} finally {
// 释放锁资源
lock.unlock();
}
}
2.2.5 put方法
如果队列是满的， 就一直挂起，直到被唤醒，或者被中断
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length)
// await方法一直阻塞，直到被唤醒或者中断标记位
notFull.await();
enqueue(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}
2.3 消费者方法实现原理
2.3.1 remove方法
// remove方法就是调用了poll
public E remove() {
E x = poll();
// 如果有数据，直接返回
if (x != null)
return x;
// 没数据抛出异常
else
throw new NoSuchElementException();
}
2.4.2 poll方法
// 拉取数据
public E poll() {
// 加锁操作
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
// 如果没有数据，直接返回null，如果有数据，执行dequeue，取出数据并返回
return (count == 0) ? null : dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
//==========================================================
// 取出数据
private E dequeue() {
// 将成员变量引用到局部变量
final Object[] items = this.items;
// 直接获取指定索引位置的数据
E x = (E) items[takeIndex];
// 将数组上指定索引位置设置为null
items[takeIndex] = null;
// 设置下次取数据时的索引位置
if (++takeIndex == items.length)
takeIndex = 0;
// 对count进行--操作
count--;
// 迭代器内容，先跳过
if (itrs != null)
itrs.elementDequeued();
// signal方法，会唤醒当前Condition中排队的一个Node。
// signalAll方法，会将Condition中所有的Node，全都唤醒
notFull.signal();
// 返回数据。
return x;
}
2.4.3 poll(time,unit)方法
public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
// 转换时间单位
long nanos = unit.toNanos(timeout);
// 竞争锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
// 如果没有数据
while (count == 0) {
if (nanos <= 0)
// 没数据，也无法阻塞了，返回null
return null;
// 没数据，挂起消费者线程
nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
}
// 取数据
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
2.4.4 take方法
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
// 虚假唤醒
while (count == 0)
notEmpty.await();
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
2.4.5 虚假唤醒
阻塞队列中，如果需要线程挂起操作，判断有无数据的位置采用的是while循环 ，为什么不能换成if
肯定是不能换成if逻辑判断
线程A，线程B，线程E，线程C。 其中ABE生产者，C属于消费者
假如线程的队列是满的
// E，拿到锁资源，还没有走while判断
while (count == items.length)
// A醒了
// B挂起
notFull.await();
enqueue(e)；
C此时消费一条数据，执行notFull.signal()唤醒一个线程，A线程被唤醒
E走判断，发现有空余位置，可以添加数据到队列，E添加数据，走enqueue
如果判断是if，A在E释放锁资源后，拿到锁资源，直接走enqueue方法。
此时A线程就是在putIndex的位置，覆盖掉之前的数据，造成数据安全问题
三、LinkedBlockingQueue
3.1 LinkedBlockingQueue的底层实现
查看LinkedBlockingQueue是如何存储数据，并且实现链表结构的。
// Node对象就是存储数据的单位
static class Node<E> {
// 存储的数据
E item;
// 指向下一个数据的指针
Node<E> next;
// 有参构造
Node(E x) { item = x; }
}
查看LinkedBlockingQueue的有参构造
// 可以手动指定LinkedBlockingQueue的长度，如果没有指定，默认为Integer.MAX_VALUE
public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.capacity = capacity;
// 在初始化时，构建一个item为null的节点，作为head和last
// 这种node可以成为哨兵Node，
// 如果没有哨兵节点，那么在获取数据时，需要判断head是否为null，才能找next
// 如果没有哨兵节点，那么在添加数据时，需要判断last是否为null，才能找next
last = head = new Node<E>(null);
}
查看LinkedBlockingQueue的其他属性
// 因为是链表，没有想数组的length属性，基于AtomicInteger来记录长度
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
// 链表的头，取
transient Node<E> head;
// 链表的尾，存
private transient Node<E> last;
// 消费者的锁
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
// 消费者的挂起操作，以及唤醒用的condition
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
// 生产者的锁
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
// 生产者的挂起操作，以及唤醒用的condition
private final Condition notFull = putLock.newCondition();
3.2 生产者方法实现原理
3.2.1 add方法
你懂得，还是走offer方法
public boolean add(E e) {
if (offer(e))
return true;
else
throw new IllegalStateException("Queue full");
}
3.2.2 offer方法
public boolean offer(E e) {
// 非空校验
if (e == null) throw new NullPointerException();
// 拿到存储数据条数的count
final AtomicInteger count = this.count;
// 查看当前数据条数，是否等于队列限制长度，达到了这个长度，直接返回false
if (count.get() == capacity)
return false;
// 声明c，作为标记存在
int c = -1;
// 将存储的数据封装为Node对象
Node<E> node = new Node<E>(e);
// 获取生产者的锁。
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
// 竞争锁资源
putLock.lock();
try {
// 再次做一个判断，查看是否还有空间
if (count.get() < capacity) {
// enqueue，扔数据
enqueue(node);
// 将数据个数 + 1
c = count.getAndIncrement();
// 拿到count的值 小于 长度限制
// 有生产者在基于await挂起，这里添加完数据后，发现还有空间可以存储数据，
// 唤醒前面可能已经挂起的生产者
// 因为这里生产者和消费者不是互斥的，写操作进行的同时，可能也有消费者在消费数据。
if (c + 1 < capacity)
// 唤醒生产者
notFull.signal();
}
} finally {
// 释放锁资源
putLock.unlock();
}
// 如果c == 0，代表添加数据之前，队列元素个数是0个。
// 如果有消费者在队列没有数据的时候，来消费，此时消费者一定会挂起线程
if (c == 0)
// 唤醒消费者
signalNotEmpty();
// 添加成功返回true，失败返回-1
return c >= 0;
}
//================================================
private void enqueue(Node<E> node) {
// 将当前Node设置为last的next，并且再将当前Node作为last
last = last.next = node;
}
//================================================
private void signalNotEmpty() {
// 获取读锁
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lock();
try {
// 唤醒。
notEmpty.signal();
} finally {
takeLock.unlock();
}
}
sync -> wait / notify
3.2.3 offer(time,unit)方法
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
// 非空检验
if (e == null) throw new NullPointerException();
// 将时间转换为纳秒
long nanos = unit.toNanos(timeout);
// 标记
int c = -1;
// 写锁，数据条数
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
final AtomicInteger count = this.count;
// 允许中断的加锁方式
putLock.lockInterruptibly();
try {
// 如果元素个数和限制个数一致，直接准备挂起
while (count.get() == capacity) {
// 挂起的时间是不是已经没了
if (nanos <= 0)
// 添加失败，返回false
return false;
// 挂起线程
nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
}
// 有空余位置，enqueue添加数据
enqueue(new Node<E>(e));
// 元素个数 + 1
c = count.getAndIncrement();
// 当前添加完数据，还有位置可以添加数据，唤醒可能阻塞的生产者
if (c + 1 < capacity)
notFull.signal();
} finally {
// 释放锁
putLock.unlock();
}
// 如果之前元素个数是0，唤醒可能等待的消费者
if (c == 0)
signalNotEmpty();
return true;
}
3.2.4 put方法
public void put(E e) throws InterruptedException {
if (e == null) throw new NullPointerException();
int c = -1;
Node<E> node = new Node<E>(e);
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
final AtomicInteger count = this.count;
putLock.lockInterruptibly();
try {
while (count.get() == capacity) {
// 一直挂起线程，等待被唤醒
notFull.await();
}
enqueue(node);
c = count.getAndIncrement();
if (c + 1 < capacity)
notFull.signal();
} finally {
putLock.unlock();
}
if (c == 0)
signalNotEmpty();
}
3.3 消费者方法实现原理
从remove方法开始，查看消费者获取数据的方式
3.3.1 remove方法
public E remove() {
E x = poll();
if (x != null)
return x;
else
throw new NoSuchElementException();
}
3.3.2 poll方法
public E poll() {
// 拿到队列数据个数的计数器
final AtomicInteger count = this.count;
// 当前队列中数据是否0
if (count.get() == 0)
// 说明队列没数据，直接返回null即可
return null;
// 声明返回结果
E x = null;
// 标记
int c = -1;
// 获取消费者的takeLock
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
// 加锁
takeLock.lock();
try {
// 基于DCL，确保当前队列中依然有元素
if (count.get() > 0) {
// 从队列中移除数据
x = dequeue();
// 将之前的元素个数获取，并--
c = count.getAndDecrement();
if (c > 1)
// 如果依然有数据，继续唤醒await的消费者。
notEmpty.signal();
}
} finally {
// 释放锁资源
takeLock.unlock();
}
// 如果之前的元素个数为当前队列的限制长度，
// 现在消费者消费了一个数据，多了一个空位可以添加
if (c == capacity)
// 唤醒阻塞的生产者
signalNotFull();
return x;
}
//================================================
private E dequeue() {
// 拿到队列的head位置数据
Node<E> h = head;
// 拿到了head的next，因为这个是哨兵Node，需要拿到的head.next的数据
Node<E> first = h.next;
// 将之前的哨兵Node.next置位null。help GC。
h.next = h;
// 将first置位新的head
head = first;
// 拿到返回结果first节点的item数据，也就是之前head.next.item
E x = first.item;
// 将first数据置位null，作为新的head
first.item = null;
// 返回数据
return x;
}
//================================================
private void signalNotFull() {
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
putLock.lock();
try {
// 唤醒生产者。
notFull.signal();
} finally {
putLock.unlock();
}
}
3.3.3 poll(time,unit)方法
public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
// 返回结果
E x = null;
// 标识
int c = -1;
// 将挂起实现设置为纳秒级别
long nanos = unit.toNanos(timeout);
// 拿到计数器
final AtomicInteger count = this.count;
// take锁加锁
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lockInterruptibly();
try {
// 如果没数据，进到while
while (count.get() == 0) {
if (nanos <= 0)
return null;
// 挂起当前线程
nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
}
// 剩下内容，和之前一样。
x = dequeue();
c = count.getAndDecrement();
if (c > 1)
notEmpty.signal();
} finally {
takeLock.unlock();
}
if (c == capacity)
signalNotFull();
return x;
}
3.3.4 take方法
public E take() throws InterruptedException {
E x;
int c = -1;
final AtomicInteger count = this.count;
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lockInterruptibly();
try {
// 相比poll(time,unit)方法，这里的出口只有一个，就是中断标记位，抛出异常，否则一直等待
while (count.get() == 0) {
notEmpty.await();
}
x = dequeue();
c = count.getAndDecrement();
if (c > 1)
notEmpty.signal();
} finally {
takeLock.unlock();
}
if (c == capacity)
signalNotFull();
return x;
}
四、PriorityBlockingQueue概念
4.1 PriorityBlockingQueue介绍
首先PriorityBlockingQueue是一个优先级队列，他不满足先进先出的概念。
会将查询的数据进行排序，排序的方式就是基于插入数据值的本身。
如果是自定义对象必须要实现Comparable接口才可以添加到优先级队列
排序的方式是基于二叉堆实现的。底层是采用数据结构实现的二叉堆。
4.2 二叉堆结构介绍
优先级队列PriorityBlockingQueue基于二叉堆实现的。
private transient Object[] queue;
PriorityBlockingQueue是基于数组实现的二叉堆。
二叉堆是什么？
- 二叉堆就是一个完整的二叉树。
- 任意一个节点大于父节点或者小于父节点
- 基于同步的方式，可以定义出小顶堆和大顶堆
小顶堆以及小顶堆基于数据实现的方式。
4.3 PriorityBlockingQueue核心属性
// 数组的初始长度
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11;
// 数组的最大长度
// -8的目的是为了适配各个版本的虚拟机
// 默认当前使用的hotspot虚拟机最大支持Integer.MAX_VALUE - 2，但是其他版本的虚拟机不一定。
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
// 存储数据的数组，也是基于这个数组实现的二叉堆。
private transient Object[] queue;
// size记录当前阻塞队列中元素的个数
private transient int size;
// 要求使用的对象要实现Comparable比较器。基于comparator做对象之间的比较
private transient Comparator<? super E> comparator;
// 实现阻塞队列的lock锁
private final ReentrantLock lock;
// 挂起线程操作。
private final Condition notEmpty;
// 因为PriorityBlockingQueue的底层是基于二叉堆的，而二叉堆又是基于数组实现的，数组长度是固定的，如果需要扩容，需要构建一个新数组。PriorityBlockingQueue在做扩容操作时，不会lock住的，释放lock锁，基于allocationSpinLock属性做标记，来避免出现并发扩容的问题。
private transient volatile int allocationSpinLock;
// 阻塞队列中用到的原理，其实就是普通的优先级队列。
private PriorityQueue<E> q;
4.4 PriorityBlockingQueue的写入操作
毕竟是阻塞队列，添加数据的操作，咱们是很了解，还是add，offer，offer(time,unit)，put。但是因为优先级队列中，数组是可以扩容的，虽然有长度限制，但是依然属于无界队列的概念，所以生产者不会阻塞，所以只有offer方法可以查看。
这次核心的内容并不是添加数据的区别。主要关注的是如何保证二叉堆中小顶堆的结构的，并且还要查看数组扩容的一个过程是怎样的。
4.4.1 offer基本流程
因为add方法依然调用的是offer方法，直接查看offer方法即可
public boolean offer(E e) {
// 非空判断。
if (e == null)
throw new NullPointerException();
// 拿到锁，直接上锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
// n：size，元素的个数
// cap：当前数组的长度
// array：就是存储数据的数组
int n, cap;
Object[] array;
while ((n = size) >= (cap = (array = queue).length))
// 如果元素个数大于等于数组的长度，需要尝试扩容。
tryGrow(array, cap);
try {
// 拿到了比较器
Comparator<? super E> cmp = comparator;
// 比较数据大小，存储数据，是否需要做上移操作，保证平衡的
if (cmp == null)
siftUpComparable(n, e, array);
else
siftUpUsingComparator(n, e, array, cmp);
// 元素个数 + 1
size = n + 1;
// 如果有挂起的线程，需要去唤醒挂起的消费者。
notEmpty.signal();
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
// 返回true
return true;
}
4.4.2 offer扩容操作
在添加数据之前，会采用while循环的方式，来判断当前元素个数是否大于等于数组长度。如果满足，需要执行tryGrow方法，对数组进行扩容
如果两个线程同时执行tryGrow，只会有一个线程在扩容，另一个线程可能多次走while循环，多次走tryGrow方法，但是依然需要等待前面的线程扩容完毕。
private void tryGrow(Object[] array, int oldCap) {
// 释放锁资源。
lock.unlock();
// 声明新数组。
Object[] newArray = null;
// 如果allocationSpinLock属性值为0，说明当前没有线程正在扩容的。
if (allocationSpinLock == 0 &&
// 基于CAS的方式，将allocationSpinLock从0修改为1，代表当前线程可以开始扩容
UNSAFE.compareAndSwapInt(this, allocationSpinLockOffset,0, 1)) {
try {
// 计算新数组长度
int newCap = oldCap + ((oldCap < 64) ?
// 如果数组长度比较小，这里加快扩容长度速度。
(oldCap + 2) :
// 如果长度大于等于64了，每次扩容到1.5倍即可。
(oldCap >> 1));
// 如果新数组长度大于MAX_ARRAY_SIZE，需要做点事了。
if (newCap - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
// 声明minCap，长度为老数组 + 1
int minCap = oldCap + 1;
// 老数组+1变为负数，或者老数组长度已经大于MAX_ARRAY_SIZE了，无法扩容了。
if (minCap < 0 || minCap > MAX_ARRAY_SIZE)
// 告辞，凉凉~~~~
throw new OutOfMemoryError();
// 如果没有超过限制，直接设置为最大长度即可
newCap = MAX_ARRAY_SIZE;
}
// 新数组长度，得大于老数组长度，
// 第二个判断确保没有并发扩容的出现。
if (newCap > oldCap && queue == array)
// 构建出新数组
newArray = new Object[newCap];
} finally {
// 新数组有了，标记位归0~~
allocationSpinLock = 0;
}
}
// 如果到了这，newArray依然为null，说明这个线程没有进到if方法中，去构建新数组
if (newArray == null)
// 稍微等一手。
Thread.yield();
// 拿锁资源，
lock.lock();
// 拿到锁资源后，确认是构建了新数组的线程，这里就需要将新数组复制给queue，并且导入数据
if (newArray != null && queue == array) {
// 将新数组赋值给queue
queue = newArray;
// 将老数组的数据全部导入到新数组中。
System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, oldCap);
}
}
4.4.3 offer添加数据-上移平衡
这里是数据如何放到数组上，并且如何保证的二叉堆结构
// k：当前元素的个数（其实就是要放的索引位置）
// x：需要添加的数据
// array：数组。。
private static <T> void siftUpComparable(int k, T x, Object[] array) {
// 将插入的元素直接强转为Comparable（com.mashibing.User cannot be cast to java.lang.Comparable）
// 这行强转，会导致添加没有实现Comparable的元素，直接报错。
Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>) x;
// k大于0，走while逻辑。（原来有数据）
while (k > 0) {
// 获取父节点的索引位置。
int parent = (k - 1) >>> 1;
// 拿到父节点的元素。
Object e = array[parent];
// 用子节点compareTo父节点，如果 >= 0，说明当前son节点比parent要大。
if (key.compareTo((T) e) >= 0)
// 直接break，完事，
break;
// 将son节点的位置设置上之前的parent节点
array[k] = e;
// 重新设置x节点需要放置的位置。
k = parent;
}
// k == 0，当前元素是第一个元素，直接插入进去。
array[k] = key;
}
4.5 PriorityBlockingQueue的读取操作
读取操作是存储现在挂起的情况的，因为如果数组中元素个数为0，当前线程如果执行了take方法，必然需要挂起。
其次获取数据，因为是优先级队列，所以需要从二叉堆栈顶拿数据，直接拿索引为0的数据即可，但是拿完之后，需要保持二叉堆结构，所以会有下移操作。
4.5.1 查看获取方法流程
poll：
public E poll() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加锁
lock.lock();
try {
// 拿到返回数据，没拿到，返回null
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
poll(time,unit)：
public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
// 将挂起的时间转换为纳秒
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 允许线程中断抛异常的加锁
lock.lockInterruptibly();
// 声明结果
E result;
try {
// dequeue是去拿数据的，可能会出现拿到的数据为null，如果为null，同时挂起时间还有剩余，这边就直接通过notEmpty挂起线程
while ( (result = dequeue()) == null && nanos > 0)
nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
} finally {
lock.unlock();
}
// 有数据正常返回，没数据，告辞~
return result;
}
take：
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
E result;
try {
while ( (result = dequeue()) == null)
// 无线等，要么有数据，要么中断线程
notEmpty.await();
} finally {
lock.unlock();
}
return result;
}
4.5.2 查看dequeue获取数据
获取数据主要就是从数组中拿到0索引位置数据，然后保持二叉堆结构
private E dequeue() {
// 将元素个数-1，拿到了索引位置。
int n = size - 1;
// 判断是不是木有数据了，没数据直接返回null即可
if (n < 0)
return null;
// 说明有数据
else {
// 拿到数组，array
Object[] array = queue;
// 拿到0索引位置的数据
E result = (E) array[0];
// 拿到最后一个数据
E x = (E) array[n];
// 将最后一个位置置位null
array[n] = null;
Comparator<? super E> cmp = comparator;
if (cmp == null)
siftDownComparable(0, x, array, n);
else
siftDownUsingComparator(0, x, array, n, cmp);
// 元素个数-1，赋值size
size = n;
// 返回result
return result;
}
}
4.6.3 下移做平衡操作
一定要以局部的方式去查看树结构的变化，他是从跟节点往下找较小的一个子节点，将较小的子节点挪动到父节点位置，再将循环往下走，如果一来，整个二叉堆的结构就可以保证了。
// k：默认进来是0
// x：代表二叉堆的最后一个数据
// array：数组
// n：最后一个索引
private static <T> void siftDownComparable(int k, T x, Object[] array,int n) {
// 健壮性校验，取完第一个数据，已经没数据了，那就不需要做平衡操作
if (n > 0) {
// 拿到最后一个数据的比较器
Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>)x;
// 因为二叉堆是一个二叉满树，所以在保证二叉堆结构时，只需要做一半就可以
int half = n >>> 1;
// 做了超过一半，就不需要再往下找了。
while (k < half) {
// 找左子节点索引，一个公式，可以找到当前节点的左子节点
int child = (k << 1) + 1;
// 拿到左子节点的数据
Object c = array[child];
// 拿到右子节点索引
int right = child + 1;
// 确认有右子节点
// 判断左节点是否大于右节点
if (right < n && c.compareTo(array[right]) > 0)
// 如果左大于右，那么c就执行右
c = array[child = right];
// 比较最后一个节点是否小于当前的较小的子节点
if (key.compareTo((T) c) <= 0)
break;
// 将左右子节点较小的放到之前的父节点位置
array[k] = c;
// k重置到之前的子节点位置
k = child;
}
// 上面while循环搞定后，可以确认整个二叉堆中，数据已经移动ok了，只差当前k的位置数据是null
// 将最后一个索引的数据放到k的位置
array[k] = key;
}
}
五、DelayQueue
5.1 DelayQueue介绍&应用
DelayQueue就是一个延迟队列，生产者写入一个消息，这个消息还有直接被消费的延迟时间。
需要让消息具有延迟的特性。
DelayQueue也是基于二叉堆结构实现的，甚至本事就是基于PriorityQueue实现的功能。二叉堆结构每次获取的是栈顶的数据，需要让DelayQueue中的数据，在比较时，跟根据延迟时间做比较，剩余时间最短的要放在栈顶。
查看DelayQueue类信息：
public class DelayQueue<E extends Delayed> extends AbstractQueue<E> implements BlockingQueue<E> {
// 发现DelayQueue中的元素，需要继承Delayed接口。
}
// ==========================================
// 接口继承了Comparable，这样就具备了比较的能力。
public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
// 抽象方法，就是咱们需要设置的延迟时间
long getDelay(TimeUnit unit);
// Comparable接口提供的：public int compareTo(T o);
}
基于上述特点，声明一个可以写入DelayQueue的元素类
public class Task implements Delayed {
/** 任务的名称 */
private String name;
/** 什么时间点执行 */
private Long time;
/**
*
* @param name
* @param delay 单位毫秒。
*/
public Task(String name, Long delay) {
// 任务名称
this.name = name;
this.time = System.currentTimeMillis() + delay;
}
/**
* 设置任务什么时候可以出延迟队列
* @param unit
* @return
*/
@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
// 单位是毫秒，视频里写错了，写成了纳秒，
return unit.convert(time - System.currentTimeMillis(),TimeUnit.MILLISECONDS);
}
/**
* 两个任务在插入到延迟队列时的比较方式
* @param o
* @return
*/
@Override
public int compareTo(Delayed o) {
return (int) (this.time - ((Task)o).getTime());
}
}
在使用时，查看到DelayQueue底层用了PriorityQueue，在一定程度上，DelayQueue也是无界队列。
测试效果
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 声明元素
Task task1 = new Task("A",1000L);
Task task2 = new Task("B",5000L);
Task task3 = new Task("C",3000L);
Task task4 = new Task("D",2000L);
// 声明阻塞队列
DelayQueue<Task> queue = new DelayQueue<>();
// 将元素添加到延迟队列中
queue.put(task1);
queue.put(task2);
queue.put(task3);
queue.put(task4);
// 获取元素
System.out.println(queue.take());
System.out.println(queue.take());
System.out.println(queue.take());
System.out.println(queue.take());
// A,D,C,B
}
在应用时，外卖，15分钟商家需要节点，如果不节点，这个订单自动取消。
可以每下一个订单，就放到延迟队列中，如果规定时间内，商家没有节点，直接通过消费者获取元素，然后取消订单。
只要是有需要延迟一定时间后，再执行的任务，就可以通过延迟队列去实现。
5.2、DelayQueue核心属性
可以查看到DelayQueue就四个核心属性
// 因为DelayQueue依然属于阻塞队列，需要保证线程安全。看到只有一把锁，生产者和消费者使用的是一个lock
private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 因为DelayQueue还是基于二叉堆结构实现的，没有必要重新搞一个二叉堆，直接使用的PriorityQueue
private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();
// leader一般会存储等待栈顶数据的消费者，在整体写入和消费的过程中，会设置的leader的一些判断。
private Thread leader = null;
// 生产者在插入数据时，不会阻塞的。当前的Condition就是给消费者用的
// 比如消费者在获取数据时，发现栈顶的数据还又没到延迟时间。
// 这个时候，咱们就需要将消费者线程挂起，阻塞一会，阻塞到元素到了延迟时间，或者是，生产者插入的元素到了栈顶，此时生产者会唤醒消费者。
private final Condition available = lock.newCondition();
5.3、DelayQueue写入流程分析
Delay是无界的，数组可以动态的扩容，不需要关注生产者的阻塞问题，他就没有阻塞问题。
这里只需要查看offer方法即可。
public boolean offer(E e) {
// 直接获取lock，加锁。
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
// 直接调用PriorityQueue的插入方法，这里会根据之前重写Delayed接口中的compareTo方法做排序，然后调整上移和下移操作。
q.offer(e);
// 调用优先级队列的peek方法，拿到堆顶的数据
// 拿到堆顶数据后，判断是否是刚刚插入的元素
if (q.peek() == e) {
// leader赋值为null。在消费者的位置再提一嘴
leader = null;
// 唤醒消费者，避免刚刚插入的数据的延迟时间出现问题。
available.signal();
}
// 插入成功，
return true;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
5.4、DelayQueue读取流程分析
消费者依然还是存在阻塞的情况，因为有两个情况
- 消费者要拿到栈顶数据，但是延迟时间还没到，此时消费者需要等待一会。
- 消费者要来拿数据，但是发现已经有消费者在等待栈顶数据了，这个后来的消费者也需要等待一会。
依然需要查看四个方法的实现
5.4.1 remove方法
// 依然是AbstractQueue提供的方法，有结果就返回，没结果扔异常
public E remove() {
E x = poll();
if (x != null)
return x;
else
throw new NoSuchElementException();
}
5.4.2 poll方法
// poll是浅尝一下，不会阻塞消费者，能拿就拿，拿不到就拉倒
public E poll() {
// 消费者和生产者是一把锁，先拿锁，加锁。
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
// 拿到栈顶数据。
E first = q.peek();
// 如果元素为null，直接返回null
// 如果getDelay方法返回的结果是大于0的，那说明当前元素还每到延迟时间，元素无法返回，返回null
if (first == null || first.getDelay(NANOSECONDS) > 0)
return null;
else
// 到这说明元素不为null，并且已经达到了延迟时间，直接调用优先级队列的poll方法
return q.poll();
} finally {
// 释放锁。
lock.unlock();
}
}
5.4.3 poll(time,unit)方法
这个是允许阻塞的，并且指定一定的时间
public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
// 先将时间转为纳秒
long nanos = unit.toNanos(timeout);
// 拿锁，加锁。
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
// 死循环。
for (;;) {
// 拿到堆顶数据
E first = q.peek();
// 如果元素为null
if (first == null) {
// 并且等待的时间小于等于0。不能等了，直接返回null
if (nanos <= 0)
return null;
// 说明当前线程还有可以阻塞的时间，阻塞指定时间即可。
else
// 这里挂起线程后，说明队列没有元素，在生产者添加数据之后，会唤醒
nanos = available.awaitNanos(nanos);
// 到这说明，有数据
} else {
// 有数据的话，先获取数据现在是否可以执行，延迟时间是否已经到了指定时间
long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
// 延迟时间是否已经到了，
if (delay <= 0)
// 时间到了，直接执行优先级队列的poll方法，返回元素
return q.poll();
// ==================延迟时间没到，消费者需要等一会===================
// 这个是查看消费者可以等待的时间，
if (nanos <= 0)
// 直接返回nulll
return null;
// ==================延迟时间没到，消费者可以等一会===================
// 把first赋值为null
first = null;
// 如果等待的时间，小于元素剩余的延迟时间，消费者直接挂起。反正暂时拿不到，但是不能保证后续是否有生产者添加一个新的数据，我是可以拿到的。
// 如果已经有一个消费者在等待堆顶数据了，我这边不做额外操作，直接挂起即可。
if (nanos < delay || leader != null)
nanos = available.awaitNanos(nanos);
// 当前消费者的阻塞时间可以拿到数据，并且没有其他消费者在等待堆顶数据
else {
// 拿到当前消费者的线程对象
Thread thisThread = Thread.currentThread();
// 将leader设置为当前线程
leader = thisThread;
try {
// 会让当前消费者，阻塞这个元素的延迟时间
long timeLeft = available.awaitNanos(delay);
// 重新计算当前消费者剩余的可阻塞时间，。
nanos -= delay - timeLeft;
} finally {
// 到了时间，将leader设置为null
if (leader == thisThread)
leader = null;
}
}
}
}
} finally {
// 没有消费者在等待元素，队列中的元素不为null
if (leader == null && q.peek() != null)
// 只要当前没有leader在等，并且队列有元素，就需要再次唤醒消费者。、
// 避免队列有元素，但是没有消费者处理的问题
available.signal();
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
5.4.4 take方法
这个是允许阻塞的，但是可以一直等，要么等到元素，要么等到被中断。
public E take() throws InterruptedException {
// 正常加锁，并且允许中断
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
for (;;) {
// 拿到元素
E first = q.peek();
if (first == null)
// 没有元素挂起。
available.await();
else {
// 有元素，获取延迟时间。
long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
// 判断延迟时间是不是已经到了
if (delay <= 0)
// 基于优先级队列的poll方法返回
return q.poll();
first = null;
// 如果有消费者在等，就正常await挂起
if (leader != null)
available.await();
// 如果没有消费者在等的堆顶数据，我来等
else {
// 获取当前线程
Thread thisThread = Thread.currentThread();
// 设置为leader，代表等待堆顶的数据
leader = thisThread;
try {
// 等待指定（堆顶元素的延迟时间）时长，
available.awaitNanos(delay);
} finally {
if (leader == thisThread)
// leader赋值null
leader = null;
}
}
}
}
} finally {
// 避免消费者无限等，来一个唤醒消费者的方法，一般是其他消费者拿到元素走了之后，并且延迟队列还有元素，就执行if内部唤醒方法
if (leader == null && q.peek() != null)
available.signal();
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
六、SynchronousQueue
6.1 SynchronousQueue介绍
SynchronousQueue这个阻塞队列和其他的阻塞队列有很大的区别
在咱们的概念中，队列肯定是要存储数据的，但是SynchronousQueue不会存储数据的
SynchronousQueue队列中，他不存储数据，存储生产者或者是消费者
当存储一个生产者到SynchronousQueue队列中之后，生产者会阻塞（看你调用的方法）
生产者最终会有几种结果：
- 如果在阻塞期间有消费者来匹配，生产者就会将绑定的消息交给消费者
- 生产者得等阻塞结果，或者不允许阻塞，那么就直接失败
- 生产者在阻塞期间，如果线程中断，直接告辞。
同理，消费者和生产者的效果是一样。
生产者和消费者的数据是直接传递的，不会经过SynchronousQueue。
SynchronousQueue是不会存储数据的。
经过阻塞队列的学习：
生产者：
- offer()：生产者在放到SynchronousQueue的同时，如果有消费者在等待消息，直接配对。如果没有消费者在等待消息，这里直接返回，告辞。
- offer(time,unit)：生产者在放到SynchronousQueue的同时，如果有消费者在等待消息，直接配对。如果没有消费者在等待消息，阻塞time时间，如果还没有，告辞。
- put()：生产者在放到SynchronousQueue的同时，如果有消费者在等待消息，直接配对。如果没有，死等。
消费者：poll()，poll(time,unit)，take()。道理和上面的生产者一致。
测试效果：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 因为当前队列不存在数据，没有长度的概念。
SynchronousQueue queue = new SynchronousQueue();
String msg = "消息！";
/*new Thread(() -> {
// b = false：代表没有消费者来拿
boolean b = false;
try {
b = queue.offer(msg,1, TimeUnit.SECONDS);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(b);
}).start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
System.out.println(queue.poll());
}).start();*/
new Thread(() -> {
try {
System.out.println(queue.poll(1, TimeUnit.SECONDS));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
queue.offer(msg);
}).start();
}
6.2 SynchronousQueue核心属性
进到SynchronousQueue类的内部后，发现了一个内部类，Transferer，内部提供了一个transfer的方法
abstract static class Transferer<E> {
abstract E transfer(E e, boolean timed, long nanos);
}
当前这个类中提供的transfer方法，就是生产者和消费者在调用读写数据时要用到的核心方法。
生产者在调用上述的transfer方法时，第一个参数e会正常传递数据
消费者在调用上述的transfer方法时，第一个参数e会传递null
SynchronousQueue针对抽象类Transferer做了几种实现。
一共看到了两种实现方式：
- TransferStack
- TransferQueue
这两种类继承了Transferer抽象类，在构建SynchronousQueue时，会指定使用哪种子类
// 到底采用哪种实现，需要把对应的对象存放到这个属性中
private transient volatile Transferer<E> transferer;
// 采用无参时，会调用下述方法，再次调用有参构造传入false
public SynchronousQueue() {
this(false);
}
// 调用的是当前的有参构造，fair代表公平还是不公平
public SynchronousQueue(boolean fair) {
// 如果是公平，采用Queue，如果是不公平，采用Stack
transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>();
}
TransferQueue的特点
代码查看效果
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 因为当前队列不存在数据，没有长度的概念。
SynchronousQueue queue = new SynchronousQueue(true);
SynchronousQueue queue = new SynchronousQueue(false);
new Thread(() -> {
try {
queue.put("生1");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
new Thread(() -> {
try {
queue.put("生2");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
new Thread(() -> {
try {
queue.put("生3");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
System.out.println("消1：" + queue.poll());
}).start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
System.out.println("消2：" + queue.poll());
}).start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
System.out.println("消3：" + queue.poll());
}).start();
}
6.3 SynchronousQueue的TransferQueue源码
为了查看清除SynchronousQueue的TransferQueue源码，需要从两点开始查看源码信息
6.3.1 QNode源码信息
static final class QNode {
// 当前节点可以获取到next节点
volatile QNode next;
// item在不同情况下效果不同
// 生产者：有数据
// 消费者：为null
volatile Object item;
// 当前线程
volatile Thread waiter;
// 当前属性是用来区分消费者和生产者的属性
final boolean isData;
// 最终生产者需要将item交给消费者
// 最终消费者需要获取生产者的item
// 省略了大量提供的CAS操作
....
}
6.3.2 transfer方法实现
// 当前方法是TransferQueue的核心内容
// e：传递的数据
// timed：false，代表无限阻塞，true，代表阻塞nacos时间
E transfer(E e, boolean timed, long nanos) {
// 当前QNode是要封装当前生产者或者消费者的信息
QNode s = null;
// isData == true：代表是生产者
// isData == false：代表是消费者
boolean isData = (e != null);
// 死循环
for (;;) {
// 获取尾节点和头结点
QNode t = tail;
QNode h = head;
// 为了避免TransferQueue还没有初始化，这边做一个健壮性判断
if (t == null || h == null)
continue;
// 如果满足h == t 条件，说明当前队列没有生产者或者消费者，为空
// 如果有节点，同时当前节点和队列节点属于同一种角色。
// if中的逻辑是进到队列
if (h == t || t.isData == isData) {
// ===================在判断并发问题==========================
// 拿到尾节点的next
QNode tn = t.next;
// 如果t不为尾节点，进来说明有其他线程并发修改了tail
if (t != tail)
// 重新走for循环
continue;
// tn如果为不null，说明前面有线程并发，添加了一个节点
if (tn != null) {
// 直接帮助那个并发线程修改tail的指向
advanceTail(t, tn);
// 重新走for循环
continue;
}
// 获取当前线程是否可以阻塞
// 如果timed为true，并且阻塞的时间小于等于0
// 不需要匹配，直接告辞！！！
if (timed && nanos <= 0)
return null;
// 如果可以阻塞，将当前需要插入到队列的QNode构建出来
if (s == null)
s = new QNode(e, isData);
// 基于CAS操作，将tail节点的next设置为当前线程
if (!t.casNext(null, s))
// 如果进到if，说明修改失败，重新执行for循环修改
continue;
// CAS操作成功，直接替换tail的指向
advanceTail(t, s);
// 如果进到队列中了，挂起线程，要么等生产者，要么等消费者。
// x是返回替换后的数据
Object x = awaitFulfill(s, e, timed, nanos);
// 如果元素和节点相等，说明节点取消了
if (x == s) {
// 清空当前节点，将上一个节点的next指向当前节点的next，直接告辞
clean(t, s);
return null;
}
// 判断当前节点是否还在队列中
if (!s.isOffList()) {
// 将当前节点设置为head
advanceHead(t, s);
// 如果 x != null， 如果拿到了数据，说明我是消费者
if (x != null)
// 将当前节点的item设置为自己
s.item = s;
// 线程置位null
s.waiter = null;
}
// 返回数据
return (x != null) ? (E)x : e;
}
// 匹配队列中的橘色
else {
// 拿到head的next，作为要匹配的节点
QNode m = h.next;
// 做并发判断，如果头节点，尾节点，或者head.next发生了变化，这边要重新走for循环
if (t != tail || m == null || h != head)
continue;
// 没并发问题，可以拿数据
// 拿到m节点的item作为x。
Object x = m.item;
// 如果isData == (x != null)满足，说明当前出现了并发问题，避免并发消费出现坑
if (isData == (x != null) ||
// 如果排队的节点取消，就会讲当前QNode中的item指向QNode
x == m ||
// 如果前面两个都没满足，可以交换数据了。
// 如果交换失败，说明有并发问题，
!m.casItem(x, e)) {
// 重新设置head节点，并且再走一次循环
advanceHead(h, m);
continue;
}
// 替换head
advanceHead(h, m);
// 唤醒head.next中的线程
LockSupport.unpark(m.waiter);
// 这边匹配好了，数据也交换了，直接返回
// 如果 x != null，说明队列中是生产者，当前是消费者，这边直接返回x具体数据
// 反之，队列中是消费者，当前是生产者，直接返回自己的数据
return (x != null) ? (E)x : e;
}
}
}
6.3.3 tansfer方法流程图
