【多线程】阻塞队列实现原理代码实现

目录

一、概念

二、优势

三、原理（代码逐步实现）

四、BlockingQueue的使用

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一、概念

阻塞队列是一种的特殊的队列，他是带有阻塞的线程安全的队列。当队列已满时入队操作就会进入阻塞，当队列不空时才能执行入队操作；当队列为空时出队操作就会进入阻塞，当有元素插入阻塞就会被唤醒执行。它经常用于实现生产者消费者模型。

二、优势

1、阻塞队列的引入，有利于代码的解耦合

2、削峰填谷

3、异步提速

与消息队列类似，可参看【RabbitMQ】初识消息中间件MQ_西瓜霜润喉片的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/qq_61903414/article/details/130138361?spm=1001.2014.3001.5501

三、原理（代码逐步实现）

这里我们基于数组实现的循环队列来进行阻塞队列的实现，首先我们需要实现一个循环队列

【数据结构】队列与Queue接口_队列是接口吗_西瓜霜润喉片的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/qq_61903414/article/details/128410608?spm=1001.2014.3001.5501

lass MyBlockingQueue{
	private int[] queue = new int[100];  // 用于实现队列的数组
	private int front;                   // 队首下标
	private int rear;                    // 队尾下标
	private int size;                    // 元素个数

	/**
	 * 入队
	 * @param data 待入队数据
	 */
	public void put(int data){
		if((rear + 1) % this.queue.length == front){
			// 队列满了，则不进行入队
			return;
		}
		
		// 将数据入队后队尾下标自增
		this.queue[rear] = data;
		rear = (rear + 1) % this.queue.length;
	}

	/**
	 * 出队
	 * @return 队首元素
	 */
	public Integer take(){
		if (rear == front){
			// 队列为空
			return null;
		}
		
		// 获取队首元素
		int val = this.queue[front];
		// 队首下标自增
		front = (front + 1) % this.queue.length;
		// 返回
		return val;
	}
}

 上述代码仅是简单的循环队列，在多线程的环境下是存在问题的，且还没有实现阻塞功能，上述入队出队方法都设计修改存在线程安全问题，此时我们可以通过加锁的方法来先保证线程安全

class MyBlockingQueue{
	private int[] queue = new int[100];  // 用于实现队列的数组
	private int front;                   // 队首下标
	private int rear;                    // 队尾下标
	private int size;                    // 元素个数

	/**
	 * 入队
	 * @param data 待入队数据
	 */
	public void put(int data){
		synchronized (this) {
			if ((rear + 1) % this.queue.length == front) {
				// 队列满了，则不进行入队
				return;
			}

			// 将数据入队后队尾下标自增
			this.queue[rear] = data;
			rear = (rear + 1) % this.queue.length;
		}
	}

	/**
	 * 出队
	 * @return 队首元素
	 */
	public Integer take(){
		synchronized (this) {
			if (rear == front) {
				// 队列为空
				return null;
			}

			// 获取队首元素
			int val = this.queue[front];
			// 队首下标自增
			front = (front + 1) % this.queue.length;
			// 返回
			return val;
		}
	}
}

在保证了线程安全后我们可以根据队满入队阻塞、队空出队阻塞来实现阻塞功能，在put方法中先进行if判断是否满了，如果满了我们进入if中使用wait方法进行阻塞，直到有线程调用take方法在take方法执行结束前调用notify唤醒阻塞；同理take方法进入时先if判断是否为空，如果为空则调用wait进入阻塞

class MyBlockingQueue{
	private int[] queue = new int[100];  // 用于实现队列的数组
	private int front;                   // 队首下标
	private int rear;                    // 队尾下标
	private int size;                    // 元素个数

	/**
	 * 入队
	 * @param data 待入队数据
	 */
	public void put(int data) throws InterruptedException {
		synchronized (this) {
			if ((rear + 1) % this.queue.length == front) {
				// 队列满了，则不进行入队
				this.wait();
			}

			// 将数据入队后队尾下标自增
			this.queue[rear] = data;
			rear = (rear + 1) % this.queue.length;
			// 唤醒阻塞的出队线程
			this.notify();
		}
	}

	/**
	 * 出队
	 * @return 队首元素
	 */
	public Integer take() throws InterruptedException {
		synchronized (this) {
			if (rear == front) {
				// 队列为空
				this.wait();
			}

			// 获取队首元素
			int val = this.queue[front];
			// 队首下标自增
			front = (front + 1) % this.queue.length;
			// 唤醒阻塞的入队线程
			this.notify();
			// 返回
			return val;
		}
	}
}

此时阻塞功能也实现了，但是还存在一些问题，如果队列为空，有一个线程1执行take操作进入了阻塞，若干时间后该线程被唤醒，继续往后执行，但是此时该线程唤醒可能不是因为入队操作而唤醒的，也可能是因为其他原因（如interrupt） ，所以线程被唤醒后队列不一定非空，put方法也同理，所以我们需要在线程被唤醒后再次进行判断是否非空或者非满，此时我们可以将if改为while即可

class MyBlockingQueue{
	private int[] queue = new int[100];  // 用于实现队列的数组
	private int front;                   // 队首下标
	private int rear;                    // 队尾下标
	private int size;                    // 元素个数

	/**
	 * 入队
	 * @param data 待入队数据
	 */
	public void put(int data) throws InterruptedException {
		synchronized (this) {
			if ((rear + 1) % this.queue.length == front) {
				// 队列满了，则不进行入队
				this.wait();
			}

			// 将数据入队后队尾下标自增
			this.queue[rear] = data;
			rear = (rear + 1) % this.queue.length;
			// 唤醒阻塞的出队线程
			this.notify();
		}
	}

	/**
	 * 出队
	 * @return 队首元素
	 */
	public Integer take() throws InterruptedException {
		synchronized (this) {
			if (rear == front) {
				// 队列为空
				this.wait();
			}

			// 获取队首元素
			int val = this.queue[front];
			// 队首下标自增
			front = (front + 1) % this.queue.length;
			// 唤醒阻塞的入队线程
			this.notify();
			// 返回
			return val;
		}
	}
}

四、BlockingQueue的使用

public static void main(String[] args){
    BlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue<>(100);
    queue.put(100);   // 带阻塞功能入队，下面是出队
    queue.take();
}