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java 阻塞队列 详解java中的阻塞队列

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阻塞队列简介

阻塞队列(BlockingQueue)首先是一个支持先进先出的队列,与普通的队列完全相同;
其次是一个支持阻塞操作的队列,即:

阻塞队列用在多线程的场景下,因此阻塞队列使用了锁机制来保证同步,这里使用的可重入锁;
而对于阻塞与唤醒机制则有与锁绑定的Condition实现

应用场景:生产者消费者模式

java中的阻塞队列

java中的阻塞队列根据容量可以分为有界队列和无界队列:

java8中提供了7种阻塞队列阻塞队列供开发者使用,如下表:

类名 描述
ArrayBlockingQueue 一个由数组结构组成的有界阻塞队列
LinkedBlockingQueue 由链表结构组成的有界阻塞队列(默认大小Integer.MAX_VALUE)
PriorityBlockingQueue 支持优先级排序的无界阻塞队列
DelayQueue 使用优先级队列实现的延迟无界阻塞队列
SynchronousQueue 不存储元素的阻塞队列,即单个元素的队列
LinkedTransferQueue 由链表结构组成的无界阻塞队列
LinkedBlockingDeque 由链表结构组成的双向阻塞队列

另外还有一个在ScheduledThreadPoolExecutor中实现的DelayedWorkQueue阻塞队列,
但这个阻塞队列开发者不能使用。它们之间的UML类图如下图:

BlockingQueue接口是阻塞队列对外的访问接口,所有的阻塞队列都实现了BlockQueue中的方法

BlockQueue中方法

作为一个队列的核心方法就是入队和出队。由于存在阻塞策略,BlockQueue将出队入队的情况分为了四组,每组提供不同的方法:

对于每种情况BlockingQueue提供的方法如下表:

方法\处理方式 抛出异常 返回特定值(布尔值)  一直阻塞 超时退出
插入 add(e) offer(e) put(e) offer(e,time,unit)
移除 remove() poll() take() poll(time.unit)
检查 element() peek() 不可用 不可用

上述方法一般用于生产者-消费者模型中,是其中的生产和消费操作队列的核心方法。
除了这些方法,BlockingQueue还提供了一些其他的方法如下表:

方法名称 描述
remove(Object o) 从队列中移除一个指定值
size() 获取队列中元素的个数
contains(Object o) 判断队列是否包含指定的元素,但是这个元素在这次判断完可能就会被消费
drainTo(Collection<? super E> c) 将队列中元素放在给定的集合中,并返回添加的元素个数
drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements) 将队列中元素取maxElements(不超过队列中元素个数)个放在给定的集合中,并返回添加的元素个数
remainingCapacity() 计算队列中还可以存放的元素个数
toArray() 以objetc数组的形式获取队列中所有的元素
toArray(T[] a) 以给定类型数组的方式获取队列中所有的元素
clear() 清空队列,危险的操作

阻塞队列的实现原理

阻塞队列的实现依靠通知模式实现:当生产者向满了的队列中添加元素时,会阻塞住生产者,
直到消费者消费了一个队列中的元素后会通知消费者队列可用,此时再由生产者向队列中添加元素。反之亦然。

阻塞队列的阻塞唤醒依靠Condition——条件队列来实现。

以ArrayBlockingQueue为例说明:

ArrayBlockingQueue的定义:

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
 implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
 
 /** The queued items */
 //以数组的结构存储队列的元素,采用的是循环数组
 final Object[] items;

 /** items index for next take, poll, peek or remove */
 //队列的队头索引
 int takeIndex;

 /** items index for next put, offer, or add */
 //队列的队尾索引
 int putIndex;

 /** Number of elements in the queue */
 //队列中元素的个数
 int count;

 /** Main lock guarding all access */
 //对于ArrayBlockingQueue所有的操作都需要加锁,
 final ReentrantLock lock;

 /** Condition for waiting takes */
 //条件队列,当队列为空时阻塞消费者并在生产者生产后唤醒消费者
 private final Condition notEmpty;

 /** Condition for waiting puts */
 //条件队列,当队列满时阻塞生产者,并在消费者消费队列后唤醒生产者
 private final Condition notFull;
}

根据类的定义字段可以看到,有两个Condition条件队列,猜测以下过程

向队列中添加元素put()方法的添加过程。

 /**
 * 向队列中添加元素
 * 当队列已满时需要阻塞当前线程
 * 放入元素后唤醒因队列为空阻塞的消费者
 */
 public void put(E e) throws InterruptedException {
 checkNotNull(e);
 final ReentrantLock lock = this.lock;
 lock.lockInterruptibly();
 try {
  //当队列已满时需要notFull.await()阻塞当前线程
  //offer(e,time,unit)方法就是阻塞的时候加了超时设定
  while (count == items.length)
  notFull.await();
  //放入元素的过程
  enqueue(e);
 } finally {
  lock.unlock();
 }
 }
 
 /**enqueue实际添加元素的方法*/
 private void enqueue(E x) {
 // assert lock.getHoldCount() == 1;
 // assert items[putIndex] == null;
 final Object[] items = this.items;
 items[putIndex] = x;
 if (++putIndex == items.length)
  putIndex = 0;
 count++;
 //如果条件队列中存在等待的线程
 //唤醒
 notEmpty.signal();
 }

从队列中获取元素take()方法的获取过程。

 /**
 * 从队列中获取元素
 * 当队列已空时阻塞当前线程
 * 从队列中消费元素后唤醒等待的生产线程
 */
 public E take() throws InterruptedException {
 final ReentrantLock lock = this.lock;
 lock.lockInterruptibly();
 try {
  //队列为空需要阻塞当前线程
  while (count == 0)
  notEmpty.await();
  //获取元素的过程
  return dequeue();
 } finally {
  lock.unlock();
 }
 }
 
 /**dequeue实际消费元素的方法*/
 private E dequeue() {
 // assert lock.getHoldCount() == 1;
 // assert items[takeIndex] != null;
 final Object[] items = this.items;
 @SuppressWarnings("unchecked")
 E x = (E) items[takeIndex];
 items[takeIndex] = null;
 if (++takeIndex == items.length)
  takeIndex = 0;
 count--;
 if (itrs != null)
  itrs.elementDequeued();
 //消费元素后从唤醒阻塞的生产者线程
 notFull.signal();
 return x;
 }

总结

阻塞队列提供了不同于普通队列的增加、删除元素的方法,核心在与队列满时阻塞生产者和队列空时阻塞消费者。
这一阻塞过程依靠与锁绑定的Condition对象实现。Condition接口的实现在AQS中实现,具体的实现类是
ConditionObject

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