前言
在去年的面试过程中，被面试官问道“阻塞队列”这个问题，因为当时并没有对此问题进行深入理解，只是按照自己的理解说明了该问题，最后面试结果也不太好，今天对该问题进行简要的面试并记录如下；如有错误，欢迎指正。
什么是阻塞队列
在数据结构中，队列遵循FIFO（先进先出）原则。在java中，Queue接口定义了定义了基本行为，由子类完成实现，常见的队列有ArrayDeque、LinkedList等，这些都是非线程安全的，在java 1.5中新增了阻塞队列，当队列满时，添加元素的线程呈阻塞状态；当队列为空时，获取元素的线程呈阻塞状态。
生产者、消费者模型
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生产者将元素添加到队列中，消费中获取数据后完成数据处理。两者通过队列解决了生产者和消费者的耦合关系；当生产者的生产速度与消费者的消费速度不一致时，可以通过大道缓冲的目的。
阻塞队列的使用场景
-
线程池
在线程池中，当工作线程数大于等于corePoolSize时，后续的任务后添加到阻塞队列中；
目前有那些阻塞队列
在java中，BlockingQueue接口定义了阻塞队列的行为，常用子类是ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue。
ArrayBlockingQueue.png
BlockingQueue继承了Queue接口，拥有其全部特性。在BlockingQueue的java doc中对其中的操作方法做了汇总
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- 插入元素
- add(e):当队列已满时，再添加元素会抛出异常
IllegalStateException - offer(e):添加成功，返回true，否则返回false
- put:(e):当队列已满时，再添加元素会使线程变为阻塞状态
- offer(e, time,unit):当队列已满时，在末尾添加数据，如果在指定时间内没有添加成功，返回false，反之是true
- add(e):当队列已满时，再添加元素会抛出异常
- 删除元素：
- remove(e):返回true表示已成功删除，否则返回false
- poll():如果队列为空返回null，否则返回队列中的第一个元素
- take():获取队列中的第一个元素，如果队列为空，获取元素的线程变为阻塞状态
- poll(time, unit)：当队列为空时，线程被阻塞，如果超过指定时间，线程退出
- 检查元素：
- element():获取队头元素，如果元素为null，抛出
NoSuchElementException - peek():获取队头元素，如果队列为空返回null，否则返回目标元素
- element():获取队头元素，如果元素为null，抛出
ArrayBlockingQueue
底层基于数组的有界阻塞队列，在构造此队列时必须指定容量；
构造函数
// 第一个
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,Collection c) {
this(capacity, fair);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // Lock only for visibility, not mutual exclusion
try {
int i = 0;
try {
for (E e : c) {
checkNotNull(e);
items[i++] = e;
}
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {
throw new IllegalArgumentException();
}
count = i;
putIndex = (i == capacity) ? 0 : i;
} finally {
lock.unlock();
}
}
// 第二个
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
lock = new ReentrantLock(fair);
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}
// 第三个
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
this(capacity, false);
}
- capacity:队列的初始容量
- fair:线程访问队列的公平性。如果为true按照FIFO的原则处理，反之；默认为false
- c:已有元素的集合，类型于合并两个数组
put()方法
public void put(E e) throws InterruptedException {
// 检查元素是否为null
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 获取锁
lock.lockInterruptibly();
try {
// 如果当前队列为空，变为阻塞状态
while (count == items.length)
notFull.await();
// 反之，就添加元素
enqueue(e);
} finally {
// 解锁
lock.unlock();
}
}
private void enqueue(E x) {
final Object[] items = this.items;
items[putIndex] = x;
if (++putIndex == items.length)
putIndex = 0;
count++;
// 此时队列不为空，唤醒消费者
notEmpty.signal();
}
take()方法
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 获取锁
lock.lockInterruptibly();
try {
// 如果队列为空，消费者变为阻塞状态
while (count == 0)
notEmpty.await();
// 不为空，就获取数据
return dequeue();
} finally {
// 解锁
lock.unlock();
}
}
private E dequeue() {
final Object[] items = this.items;
@SuppressWarnings("unchecked")
// 获取队头元素x
E x = (E) items[takeIndex];
items[takeIndex] = null;
if (++takeIndex == items.length)
takeIndex = 0;
count--;
if (itrs != null)
itrs.elementDequeued();
// 此时队列没有满，同时生产者继续添加数据
notFull.signal();
return x;
}
LinkedBlockingQueue
底层基于单向链表的无界阻塞队列，如果不指定初始容量，默认为Integer.MAX_VALUE，否则为指定容量
构造函数
// 不指定容量
public LinkedBlockingQueue() {
this(Integer.MAX_VALUE);
}
// 指定容量
public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.capacity = capacity;
last = head = new Node(null);
}
// 等同于合并数组
public LinkedBlockingQueue(Collection c) {
this(Integer.MAX_VALUE);
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
putLock.lock(); // Never contended, but necessary for visibility
try {
int n = 0;
for (E e : c) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
if (n == capacity)
throw new IllegalStateException("Queue full");
enqueue(new Node(e));
++n;
}
count.set(n);
} finally {
putLock.unlock();
}
}
put()方法
public void put(E e) throws InterruptedException {
// 元素为空，抛出异常
if (e == null) throw new NullPointerException();
int c = -1;
Node node = new Node(e);
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
// 获取队列中的数据量
final AtomicInteger count = this.count;
// 获取锁
putLock.lockInterruptibly();
try {
// 队列满了，变为阻塞状态
while (count.get() == capacity) {
notFull.await();
}
// 将目标元素添加到链表的尾端
enqueue(node);
// 总数增加
c = count.getAndIncrement();
// 队列还没有满，继续添加元素
if (c + 1 < capacity)
notFull.signal();
} finally {
// 解锁
putLock.unlock();
}
if (c == 0)
signalNotEmpty();
}
take()方法
public E take() throws InterruptedException {
E x;
int c = -1;
// 获取队列中的工作数
final AtomicInteger count = this.count;
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
// 获取锁
takeLock.lockInterruptibly();
try {
// 如果队列为空，变为阻塞状态
while (count.get() == 0) {
notEmpty.await();
}
// 获取队头元素
x = dequeue();
// 递减
c = count.getAndDecrement();
// 通知消费者
if (c > 1)
notEmpty.signal();
} finally {
// 解锁
takeLock.unlock();
}
if (c == capacity)
//
signalNotFull();
return x;
}
对比
相同点
- 两者都是通过Condition通知生产者和消费者完成元素的添加和获取
- 都可以指定容量
不同点
-
ArrayBlockingQueue基于数据，LinkedBlockingQueue基于链表 -
ArrayBlockingQueue内有一把锁，LinkedBlockingQueue内有两把锁
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自己动手实现一个阻塞队列
通过分析源码可以知道，阻塞队列其实是通过通知机制Condition完成生产者和消费的互通。也可以通过Object类中的wait()和notify、notifyAll实现。下面是自己写的一个阻塞队列
public class BlockQueue {
// 对象锁
public static final Object LOCK = new Object();
// 控制变量的值 来通知双方
public boolean condition;
public void put() {
synchronized (LOCK) {
while (condition) {
try {
// 满了
System.out.println("put 队列满了，开始阻塞");
LOCK.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
condition = true;
System.out.println("put 改为true，唤醒消费者");
LOCK.notifyAll();
}
}
public void take() {
synchronized (LOCK) {
while (!condition) {
// 没满
System.out.println("take 队列没满，开始阻塞");
try {
LOCK.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
condition = false;
System.out.println("take 改为false，唤醒生产者");
LOCK.notifyAll();
}
}
}
参考文章：
并发容器之BlockingQueue (juejin.cn)
BlockingQueue (Java Platform SE 8 ) (oracle.com)
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