10分钟从实现和使用场景聊聊并发包下的阻塞队列
上篇文章12分钟从Executor自顶向下彻底搞懂线程池中我们聊到线程池，而线程池中包含阻塞队列
这篇文章我们主要聊聊并发包下的阻塞队列
阻塞队列
什么是队列？
队列的实现可以是数组、也可以是链表，可以实现先进先出的顺序队列，也可以实现先进后出的栈队列
那什么是阻塞队列？
在经典的生产者/消费者模型中，生产者们将生产的元素放入队列，而消费者们从队列获取元素消费
当队列已满，我们会手动阻塞生产者，直到消费者消费再来手动唤醒生产者
当队列为空，我们会手动阻塞消费者，直到生产者生产再来手动唤醒消费者
在这个过程中由于使用的是普通队列，阻塞与唤醒我们需要手动操作，保证同步机制
阻塞队列在队列的基础上提供等待/通知功能，用于线程间的通信，避免线程竞争死锁
生产者可以看成往线程池添加任务的用户线程，而消费者则是线程池中的工作线程
当阻塞队列为空时阻塞工作线程获取任务，当阻塞队列已满时阻塞用户线程向队列中添加任务（创建非核心线程、拒绝策略）
API
阻塞队列提供一下四种添加、删除元素的API，我们常用阻塞等待/超时阻塞等待的API
| 方法名 | 抛出异常 | 返回true/false | 阻塞等待 | 超时阻塞等待 |
|---|---|---|---|---|
| 添加 | add(Object) | offer(Object) | put(Object) | offer(Object,long,TimeUnit) |
| 删除 | remove() | poll() | take() | poll(long,TimeUnit) |
- 抛出异常:队满add 抛出异常
IllegalStateExceptio；队空remove 抛出异常NoSuchElementException - 返回值: 队满offer返回false，队空poll返回null
- 阻塞等待: 队满时put会阻塞线程 或 队空时take会阻塞线程
- 超时阻塞等待: 在阻塞等待、返回true/false的基础上增加超时等待（等待一定时间就退出等待）
阻塞队列的公平与不公平
什么是阻塞队列的公平与不公平？
当阻塞队列已满时，如果是公平的，那么阻塞的线程根据先后顺序从阻塞队列中获取元素，不公平则反之
实际上阻塞队列的公平与不公平，要看实现阻塞队列的锁是否公平
阻塞队列一般默认使用不公平锁
ArrayBlockingQueue
从名称看就可以知道它是数组实现的，我们先来看看它有哪些重要字段
public class ArrayBlockingQueue extends AbstractQueue
implements BlockingQueue, java.io.Serializable {
//存储元素的数组
final Object[] items;
//记录元素出队的下标
int takeIndex;
//记录元素入队的下标
int putIndex;
//队列中元素数量
int count；
//使用的锁
final ReentrantLock lock;
//出队的等待队列，作用于消费者
private final Condition notEmpty;
//入队的等待队列，作用于生产者
private final Condition notFull;
} 看完关键字段，我们可以知道：ArrayBlockingQueue由数组实现、使用并发包下的可重入锁、同时用两个等待队列作用生产者和消费者
为什么出队、入队要使用两个下标记录？
实际上它是一个环形数组，在初始化后就不改变大小，后续查看源码自然能明白它是环形数组
在构造器中、初始化数组容量，同时使用非公平锁
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
this(capacity, false);
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
//锁是否为公平锁
lock = new ReentrantLock(fair);
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}ArrayBlockingQueue的公平性是由ReentrantLock来实现的
我们来看看入队方法，入队方法都大同小异，我们本文都查看支持超时、响应中断的方法
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
//检查空指针
checkNotNull(e);
//获取超时纳秒
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final ReentrantLock lock = this.lock;
//加锁
lock.lockInterruptibly();
try {
//如果队列已满
while (count == items.length) {
//超时则返回入队失败，否则生产者等待对应时间
if (nanos <= 0)
return false;
nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
}
//入队
enqueue(e);
return true;
} finally {
//解锁
lock.unlock();
}
}直接使用可重入锁保证同步，如果队列已满，在此期间判断是否超时，超时就返回，未超时等待；未满则执行入队方法
private void enqueue(E x) {
//队列数组
final Object[] items = this.items;
//往入队下标添加值
items[putIndex] = x;
//自增入队下标 如果已满则定位到0 成环
if (++putIndex == items.length)
putIndex = 0;
//统计数量增加
count++;
//唤醒消费者
notEmpty.signal();
}在入队中，主要是添加元素、修改下次添加的下标、统计队列中的元素和唤醒消费者，到这以及可以说明它的实现是环形数组
ArrayBlockingQueue由环形数组实现的阻塞队列，固定容量不支持动态扩容，使用非公平的ReertrantLock保证入队、出队操作的原子性，使用两个等待队列存储等待的生产者、消费者，适用于在并发量不大的场景
LinkedBlockingQueue
LinkedBlockingQueue从名称上来看，就是使用链表实现的，我们来看看它的关键字段
public class LinkedBlockingQueue extends AbstractQueue
implements BlockingQueue, java.io.Serializable {
//节点
static class Node {
//存储元素
E item;
//下一个节点
Node next;
//...
}
//容量上限
private final int capacity;
//队列元素数量
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
//头节点
transient Node head;
//尾节点
private transient Node last;
//出队的锁
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
//出队的等待队列
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
//入队的锁
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
//入队的等待队列
private final Condition notFull = putLock.newCondition();
} 从字段中，我们可以知道它使用单向链表的节点、且用首尾节点记录队列的头尾，并且它使用两把锁、两个等待队列作用于队头、尾，与ArrayBlockingQueue相比能够增加并发性能
有个奇怪的地方：都使用锁了，为什么记录元素数量count却使用原子类呢？
这是由于两把锁，作用于入队与出队的操作，入队与出队也可能并发执行，同时修改count，因此要使用原子类保证修改数量的原子性
在初始化时需要设置容量大小，否则会设置成无界的阻塞队列（容量是int的最大值）
当消费速度小于生产速度时，阻塞队列中会堆积任务，进而导致容易发生OOM
public LinkedBlockingQueue() {
this(Integer.MAX_VALUE);
}
public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.capacity = capacity;
last = head = new Node(null);
} 来看看入队操作
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
if (e == null) throw new NullPointerException();
long nanos = unit.toNanos(timeout);
int c = -1;
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
final AtomicInteger count = this.count;
//加锁
putLock.lockInterruptibly();
try {
//队列已满，超时返回，不超时等待
while (count.get() == capacity) {
if (nanos <= 0)
return false;
nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
}
//入队
enqueue(new Node(e));
// 先获取再自增 c中存储的是旧值
c = count.getAndIncrement();
//如果数量没满 唤醒生产者
if (c + 1 < capacity)
notFull.signal();
} finally {
//解锁
putLock.unlock();
}
//如果旧值为0 说明该入队操作前是空队列，唤醒消费者来消费
if (c == 0)
signalNotEmpty();
return true;
} 入队操作类似，只不过在此期间如果数量没满唤醒生产者生产，队列为空唤醒消费者来消费，从而增加并发性能
入队只是改变指向关系
//添加节点到末尾
private void enqueue(Node node) {
last = last.next = node;
} 唤醒消费者前要先获取锁
private void signalNotEmpty() {
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lock();
try {
notEmpty.signal();
} finally {
takeLock.unlock();
}
}出队操作也类似
public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
E x = null;
int c = -1;
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final AtomicInteger count = this.count;
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lockInterruptibly();
try {
// 队列为空 超时返回空，否则等待
while (count.get() == 0) {
if (nanos <= 0)
return null;
nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
}
//出队
x = dequeue();
c = count.getAndDecrement();
//队列中除了当前线程获取的任务外还有任务就去唤醒消费者消费
if (c > 1)
notEmpty.signal();
} finally {
takeLock.unlock();
}
//原来队列已满就去唤醒生产者 生产
if (c == capacity)
signalNotFull();
return x;
}LinkedBlockingQueue与ArrayBlockingQueue的出队、入队实现类似
只不过LinkedBlockingQueue入队、出队获取/释放的锁不同，并且在此过程中不同情况回去唤醒其他的生产者、消费者从而进一步提升并发性能
LinkedBlockingQueue 由单向链表实现的阻塞队列，记录首尾节点；默认是无界、非公平的阻塞队列（初始化时要设置容量否则可能OOM），使用两把锁、两个等待队列，分别操作入队、出队的生产者、消费者，在入队、出队操作期间不同情况还会去唤醒生产者、消费者，从而进一步提升并发性能，适用于并发量大的场景
LinkedBlockingDeque
LinkedBlockingDeque实现与LinkedBlockQueue类似，在LinkedBlockQueue的基础上支持从队头、队尾进行添加、删除的操作
它是一个双向链表，带有一系列First、Last的方法，比如：offerLast、pollFirst
由于LinkedBlockingDeque双向，常用其来实现工作窃取算法，从而减少线程的竞争
什么是工作窃取算法？
比如多线程处理多个阻塞队列的任务（一一对应），每个线程从队头获取任务处理，当A线程处理完它负责的阻塞队列所有任务时，它再从队尾窃取其他阻塞队列的任务，这样就不会发生竞争，除非队列中只剩一个任务，才会发生竞争
ForkJoin框架就使用其来充当阻塞队列，我们后文再聊这个框架
PriorityBlockingQueue
PriorityBlockingQueue是优先级排序的无界阻塞队列，阻塞队列按照优先级进行排序
使用堆排序，具体排序算法由Comparable或Comparator实现比较规则
- 默认：泛型中的对象需要实现
Comparable比较规则 ，根据compareTo方法规则排序 - 构造器中指定比较器
Comparator根据比较器规则排序
@Test
public void testPriorityBlockingQeque() {
//默认使用Integer实现Comparable的升序
PriorityBlockingQueue queue = new PriorityBlockingQueue<>(6);
queue.offer(99);
queue.offer(1099);
queue.offer(299);
queue.offer(992);
queue.offer(99288);
queue.offer(995);
//99 299 992 995 1099 99288
while (!queue.isEmpty()){
System.out.print(" "+queue.poll());
}
System.out.println();
//指定Comparator 降序
queue = new PriorityBlockingQueue<>(6, (o1, o2) -> o2-o1);
queue.offer(99);
queue.offer(1099);
queue.offer(299);
queue.offer(992);
queue.offer(99288);
queue.offer(995);
//99288 1099 995 992 299 99
while (!queue.isEmpty()){
System.out.print(" "+queue.poll());
}
} 适用于需要根据优先级排序处理的场景
DelayQueue
Delay是一个延时获取元素的无界阻塞队列， 延时最长排在队尾
Delay队列元素实现Delayed接口通过getDelay获取延时时间
public class DelayQueue extends AbstractQueue
implements BlockingQueue {
}
public interface Delayed extends Comparable {
long getDelay(TimeUnit unit);
} DelayQueue应用场景
- 缓存系统的设计：DelayQueue存放缓存有效期，当可以获取到元素时，说明缓存过期
- 定时任务调度： 将定时任务的时间设置为延时时间，一旦可以获取到任务就开始执行
以定时线程池ScheduledThreadPoolExecutor的定时任务ScheduledFutureTask为例，它实现Delayed获取延迟执行的时间
创建对象时,初始化数据
ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) { super(r, result); //time记录当前对象延迟到什么时候可以使用,单位是纳秒 this.time = ns; this.period = period; //sequenceNumber记录元素在队列中先后顺序 sequencer原子自增 //AtomicLong sequencer = new AtomicLong(); this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement(); }实现Delayed接口的getDelay方法
public long getDelay(TimeUnit unit) { return unit.convert(time - now(), NANOSECONDS); }Delay接口继承了Comparable接口，目的是要实现compareTo方法来继续排序
public int compareTo(Delayed other) { if (other == this) // compare zero if same object return 0; if (other instanceof ScheduledFutureTask) { ScheduledFutureTask x = (ScheduledFutureTask)other; long diff = time - x.time; if (diff < 0) return -1; else if (diff > 0) return 1; else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber) return -1; else return 1; } long diff = getDelay(NANOSECONDS) - other.getDelay(NANOSECONDS); return (diff < 0) ? -1 : (diff > 0) ? 1 : 0; }
SynchronousQueue
SynchronousQueue是一个默认下支持非公平不存储元素的阻塞队列
每个put操作要等待一个take操作,否则不能继续添加元素会阻塞
使用公平锁
@Test
public void testSynchronousQueue() throws InterruptedException {
final SynchronousQueue queue = new SynchronousQueue(true);
new Thread(() -> {
try {
queue.put(1);
queue.put(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "put12线程").start();
new Thread(() -> {
try {
queue.put(3);
queue.put(4);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "put34线程").start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿出" + queue.take());
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿出" + queue.take());
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿出" + queue.take());
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿出" + queue.take());
}
//结果 因为使用公平锁 1在2前，3在4前
//main拿出1
//main拿出3
//main拿出2
//main拿出4 SynchronousQueue队列本身不存储元素，负责把生产者的数据传递给消费者，适合传递性的场景
在该场景下吞吐量会比ArrayBlockingQueue，LinkedBlockingQueue高
LinkedTransferQueue
LinkedTransferQueue是一个链表组成的无界阻塞队列，拥有transfer()和tryTransfer()方法
transfer()
如果有消费者在等待接收元素，transfer(e)会把元素e传输给消费者
如果没有消费者在等待接收元素，transfer(e)会将元素e存放在队尾，直到有消费者获取了才返回
@Test
public void testTransfer() throws InterruptedException {
LinkedTransferQueue queue = new LinkedTransferQueue();
new Thread(()->{
try {
//阻塞直到被获取
queue.transfer(1);
//生产者放入的1被取走了
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"放入的1被取走了");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"生产者").start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
//main取出队列中的元素
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"取出队列中的元素");
queue.poll();
}tryTransfer()无论消费者是否消费都直接返回
@Test
public void testTryTransfer() throws InterruptedException {
LinkedTransferQueue queue = new LinkedTransferQueue<>();
//false
System.out.println(queue.tryTransfer(1));
//null
System.out.println(queue.poll());
new Thread(()->{
try {
//消费者取出2
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"取出"+queue.poll(2, TimeUnit.SECONDS));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"消费者").start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
//true
System.out.println(queue.tryTransfer(2));
} tryTransfer(long,TimeUnit) 在超时时间内消费者消费元素返回true，反之返回false
总结
ArrayBlockingQueue由环形数组实现，固定容量无法扩容，使用非公平的可重入锁锁、两个等待队列操作入队、出队操作，适合并发小的场景
LinkedBlockingQueue由单向链表实现，默认无界，使用两个可重入锁、两个等待队列进行入队、出队操作，并在此期间可能唤醒生产者或消费者线程，以此提高并发性能
LinkedBlockingDeque由双向链表实现，在LinkedBlockingQueue的基础上，能够在队头、队尾都进行添加、删除操作，适用工作窃取算法1
PriorityBlockingQueue由堆排序实现的优先级队列，具体排序算法由Comparable、Comparator来实现，适用于需要根据优先级排序处理任务的场景
DelayQueue 是一个延时队列，队列中存储的元素需要实现Delayed接口来获取延时时间，适用于缓存失效、定时任务的场景
SynchronousQueue不存储元素，只将生产者生产的元素传递给消费者， 适用于传递性的场景，比如不同线程间传递数据
LinkedTransgerQueue是传输形的阻塞队列，适用于单个元素传递的场景
在使用无界的阻塞队列时，需要设置容量，避免存储任务太多导致OOM
最后（不要白嫖，一键三连求求拉~）
本篇文章被收入专栏 由点到线，由线到面，深入浅出构建Java并发编程知识体系，感兴趣的同学可以持续关注喔
本篇文章笔记以及案例被收入 gitee-StudyJava、 github-StudyJava 感兴趣的同学可以stat下持续关注喔~
案例地址：
Gitee-JavaConcurrentProgramming/src/main/java/E_BlockQueue
Github-JavaConcurrentProgramming/src/main/java/E_BlockQueue
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