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Java并发编程之阻塞队列

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  • 1、什么是阻塞队列?
  • 2、主要的阻塞队列及其方法
  • 3、阻塞队列的实现原理
  • 4、阻塞队列的应用:实现消费者-生产者模式
  •  5、参考资料

1、什么是阻塞队列?

  队列是一种数据结构,它有两个基本操作:在队列尾部加入一个元素,从队列头部移除一个元素。阻塞队里与普通的队列的区别在于,普通队列不会对当前线程产生阻塞,在面对类似消费者-生产者模型时,就必须额外的实现同步策略以及线程间唤醒策略。使用阻塞队列,就会对当前线程产生阻塞,当队列是空时,从队列中获取元素的操作将会被阻塞,当队列是满时,往队列里添加元素的操作也会被阻塞。

2、主要的阻塞队列及其方法

  java.util.concurrent包下提供主要的几种阻塞队列,主要有以下几个:

  • ArrayBlockingQueue:基于数组实现的阻塞队列,在创建ArrayBlockingQueue对象时必须指定其容量大小,还可以指定访问策略,默认情况下为非公平的,即不保证等待时间最长的线程最优先能够访问队列。
  • LinkedBlockingQueue:基于链表实现的一个阻塞队列,在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小,则默认大小为Integer.MAX_VALUE。
  • 以上2种队列都是先进先出队列,而PriorityBlockingQueue却不是,它会按照元素的优先级对元素进行排序,按照优先级顺序出队,每次出队的元素都是优先级最高的元素。注意,此阻塞队列为无界阻塞队列,即容量没有上限(通过源码就可以知道,它没有容器满的信号标志),前面2种都是有界队列。
  • DelayQueue:基于PriorityQueue,一种延时阻塞队列,DelayQueue中的元素只有当其指定的延迟时间到了,才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列,因此往队列中插入数据的操作(生产者)永远不会被阻塞,而只有获取数据的操作(消费者)才会被阻塞。

  阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法,还提供另外若干非常有用的方法:

  • put方法用来向队尾存入元素,如果队列满,则等待;
  • take方法用来从队首取元素,如果队列为空,则等待;
  • offer方法用来向队尾存入元素,如果队列满,则等待一定的时间,当时间期限达到时,如果还没有插入成功,则返回false;否则返回true;
  • poll方法用来从队首取元素,如果队列空,则等待一定的时间,当时间期限达到时,如果取到,则返回null;否则返回取得的元素;

  下面看一段代码:

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

/** 
 * @author 作者:徐剑   E-mail:anxu_2013@163.com 
 * @version 创建时间:2016年3月20日 下午12:52:53 
 * 类说明 
 */
public class BlockingQueue
{
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        java.util.concurrent.BlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(5);
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            // 将指定元素添加到此队列中
            blockingQueue.put("加入元素" + i);
            System.out.println("向阻塞队列中添加了元素:" + i);
        }
        System.out.println("程序到此运行结束,即将退出----");
    }
}

  当限制阻塞队列数量为5时,添加了5个元素之后,继续添加将会队列外阻塞等待,此时程序并未终止。

  

  当队列满了之后,我们将队首元素移除,则可以继续向阻塞队列中添加元素,代码如下:

public class BlockingQueue
{
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        java.util.concurrent.BlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(5);
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            // 将指定元素添加到此队列中
            blockingQueue.put("加入元素" + i);
            System.out.println("向阻塞队列中添加了元素:" + i);
            if(i>=4)
                System.out.println("移除队首元素"+blockingQueue.take());
        }
        System.out.println("程序到此运行结束,即将退出----");
    }
}

  执行结果如下:

  

3、阻塞队列的实现原理

  下面主要看一下ArrayBlockingQueue的实现原理。

  首先看一下ArrayBlockingQueue类的成员变量:

public class ArrayBlockingQueue extends AbstractQueue
        implements BlockingQueue, java.io.Serializable {

    /** 底层存储结构-数组 */
    final Object[] items;

    /** 队首元素下标 */
    int takeIndex;

    /** 队尾元素下标 */
    int putIndex;

    /**队列元素总数 */
    int count;
/** 重入锁 */ final ReentrantLock lock; /** notEmpty等待条件 */ private final Condition notEmpty; /** notFull等待条件 */ private final Condition notFull; /** * Shared state for currently active iterators, or null if there * are known not to be any. Allows queue operations to update * iterator state. */ transient Itrs itrs = null;

  可以看到,ArrayBlockingQueue用来存储元素的实际上是一个数组。

  再看下ArrayBlockingQueue两个重要方法的实现,put()和take():

public void put(E e) throws InterruptedException
    {
        //先检查e是否为空
        checkNotNull(e);
        //获取锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try
        {
            //当队列已满,进入条件等待
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            //队列不满,进行入队列操作
            enqueue(e);
        } 
        finally
        {
            //释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

  再看下具体的入队操作:

private void enqueue(E x)
    {
        final Object[] items = this.items;
        //队尾入队
        items[putIndex] = x;
        if (++putIndex == items.length)
            putIndex = 0;
        //队列总数+1
        count++;
        //notempty条件的等待集中随机选择一个线程,解除其阻塞状态
        notEmpty.signal();
    }

  下面是take()方法的源代码:

public E take() throws InterruptedException
    {
        //获取锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try
        {
            //队列为空
            while (count == 0)
                //线程加入notEmpty条件等待集
                notEmpty.await();
            //非空,出队列
            return dequeue();
        } finally
        {
            //释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

4、阻塞队列的应用:实现消费者-生产者模式

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/** 
 * @author 作者:徐剑   E-mail:anxu_2013@163.com 
 * @version 创建时间:2016年3月20日 下午2:21:55 
 * 类说明:阻塞队列实现的消费者-生产者模式
 */
public class Test
{
    private int queueSize = 10;
    private ArrayBlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(queueSize);
    public static void main(String[] args)
    {
        Test test = new Test();
        Producer producer = test.new Producer();
        Consumer consumer = test.new Consumer();
        producer.start();
        consumer.start();
    }
    class Consumer extends Thread
    {
        @Override
        public void run()
        {
            consume();
        }

        private void consume()
        {
            while (true)
            {
                try
                {
                    queue.take();
                    System.out.println("从队列取走一个元素,队列剩余" + queue.size() + "个元素");
                } catch (InterruptedException e)
                {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    class Producer extends Thread
    {
        @Override
        public void run()
        {
            produce();
        }
        private void produce()
        {
            while (true)
            {
                try
                {
                    queue.put(1);
                    System.out.println("向队列取中插入一个元素,队列剩余空间:"+ (queueSize - queue.size()));
                } catch (InterruptedException e)
                {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

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