Q

  • 为什么要有阻塞队列?

  • 什么是阻塞队列

  • 优缺点

  • 适用场景

  • 实现思想+源码

  • 个人启发

阻塞队列

什么是阻塞队列?

阻塞队列(BlockingQueue)是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是:在队列为空时,获取元素的线程会等待队列变为非空。当队列满时,存储元素的线程会等待队列可用。阻塞队列常用于生产者和消费者的场景,生产者是往队列里添加元素的线程,消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器,而消费者也只从容器里拿元素。

阻塞队列提供了四种处理方法:

方法处理方式 抛出异常 返回特殊值 一直阻塞 超时退出
插入方法 add(e) offer(e) put(e) offer(e,time,unit)
移除方法 remove() poll() take() poll(time,unit)
检查方法 element() peek()   不可用 不可用

抛出异常:是指当阻塞队列满时候,再往队列里插入元素,会抛出IllegalStateException(“Queue full”)异常。当队列为空时,从队列里获取元素时会抛出NoSuchElementException异常 。

返回特殊值:插入方法会返回是否成功,成功则返回true。移除方法,则是从队列里拿出一个元素,如果没有则返回null

一直阻塞:当阻塞队列满时,如果生产者线程往队列里put元素,队列会一直阻塞生产者线程,直到拿到数据,或者响应中断退出。当队列空时,消费者线程试图从队列里take元素,队列也会阻塞消费者线程,直到队列可用。

超时退出:当阻塞队列满时,队列会阻塞生产者线程一段时间,如果超过一定的时间,生产者线程就会退出。

入门例子

演示如何简单实用 BlockingQueue。

测试类

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue; 

public class BlockingQueueTest {
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 声明一个容量为10的缓存队列
        BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<String>(10);
 
        //new了三个生产者和一个消费者
        Producer producer1 = new Producer(queue);
        Producer producer2 = new Producer(queue);
        Producer producer3 = new Producer(queue);
        Consumer consumer = new Consumer(queue);
 
        // 借助Executors
        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        // 启动线程
        service.execute(producer1);
        service.execute(producer2);
        service.execute(producer3);
        service.execute(consumer);
 
        // 执行10s
        Thread.sleep(10 * 1000);
        producer1.stop();
        producer2.stop();
        producer3.stop();
 
        Thread.sleep(2000);
        // 退出Executor
        service.shutdown();
    }
}

生产者线程

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
 
/**
 * 生产者线程
 * 
 * @author jackyuj
 */
public class Producer implements Runnable {
    
    private volatile boolean  isRunning = true;//是否在运行标志
    private BlockingQueue queue;//阻塞队列
    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();//自动更新的值
    private static final int DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP = 1000;
 
    //构造函数
    public Producer(BlockingQueue queue) {
        this.queue = queue;
    }
 
    public void run() {
        String data = null;
        Random r = new Random();
 
        System.out.println("启动生产者线程!");
        try {
            while (isRunning) {
                System.out.println("正在生产数据...");
                Thread.sleep(r.nextInt(DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP));//取0~DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP值的一个随机数
 
                data = "data:" + count.incrementAndGet();//以原子方式将count当前值加1
                System.out.println("将数据:" + data + "放入队列...");
                if (!queue.offer(data, 2, TimeUnit.SECONDS)) {//设定的等待时间为2s,如果超过2s还没加进去返回true
                    System.out.println("放入数据失败:" + data);
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            System.out.println("退出生产者线程!");
        }
    }
 
    public void stop() {
        isRunning = false;
    }
}

消费者代码

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
/**
 * 消费者线程
 * 
 * @author jackyuj
 */
public class Consumer implements Runnable {
    
    private BlockingQueue<String> queue;
    private static final int DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP = 1000;
 
    //构造函数
    public Consumer(BlockingQueue<String> queue) {
        this.queue = queue;
    }
 
    public void run() {
        System.out.println("启动消费者线程!");
        Random r = new Random();
        boolean isRunning = true;
        try {
            while (isRunning) {
                System.out.println("正从队列获取数据...");
                String data = queue.poll(2, TimeUnit.SECONDS);//有数据时直接从队列的队首取走,无数据时阻塞,在2s内有数据,取走,超过2s还没数据,返回失败
                if (null != data) {
                    System.out.println("拿到数据:" + data);
                    System.out.println("正在消费数据:" + data);
                    Thread.sleep(r.nextInt(DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP));
                } else {
                    // 超过2s还没数据,认为所有生产线程都已经退出,自动退出消费线程。
                    isRunning = false;
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            System.out.println("退出消费者线程!");
        }
    }
}

Java里的阻塞队列

JDK7提供了7个阻塞队列。

ArrayBlockingQueue :一个由数组结构组成的有界阻塞队列。

LinkedBlockingQueue :一个由链表结构组成的有界阻塞队列。

PriorityBlockingQueue :一个支持优先级排序的无界阻塞队列。

DelayQueue:一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。

SynchronousQueue:一个不存储元素的阻塞队列。

LinkedTransferQueue:一个由链表结构组成的无界阻塞队列。

LinkedBlockingDeque:一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个用数组实现的有界阻塞队列。此队列按照先进先出(FIFO)的原则对元素进行排序。默认情况下不保证访问者公平的访问队列,所谓公平访问队列是指阻塞的所有生产者线程或消费者线程,当队列可用时,可以按照阻塞的先后顺序访问队列,即先阻塞的生产者线程,可以先往队列里插入元素,先阻塞的消费者线程,可以先从队列里获取元素。

通常情况下为了保证公平性会降低吞吐量。我们可以使用以下代码创建一个公平的阻塞队列:

ArrayBlockingQueue fairQueue = new  ArrayBlockingQueue(1000,true);

访问者的公平性是使用可重入锁实现的,代码如下

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();
}

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是一个用链表实现的有界阻塞队列。此队列的默认和最大长度为Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界队列。默认情况下元素采取自然顺序排列,也可以通过比较器comparator来指定元素的排序规则。元素按照升序排列。

DelayQueue

DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用PriorityQueue来实现。队列中的元素必须实现Delayed接口,在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。我们可以将DelayQueue运用在以下应用场景:

缓存系统的设计:可以用DelayQueue保存缓存元素的有效期,使用一个线程循环查询DelayQueue,一旦能从DelayQueue中获取元素时,表示缓存有效期到了。 定时任务调度。使用DelayQueue保存当天将会执行的任务和执行时间,一旦从DelayQueue中获取到任务就开始执行,从比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。 队列中的Delayed必须实现compareTo来指定元素的顺序。比如让延时时间最长的放在队列的末尾。实现代码如下:

public int compareTo(Delayed other) {
    if (other == this) // compare zero ONLY 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 d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -
                other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
    return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
}

如何实现Delayed接口

我们可以参考 ScheduledThreadPoolExecutor 里 ScheduledFutureTask 类。

这个类实现了Delayed接口。

首先:在对象创建的时候,使用time记录前对象什么时候可以使用,代码如下:

ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
    super(r, result);
    this.time = ns;
    this.period = period;
    this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}

然后使用getDelay可以查询当前元素还需要延时多久,代码如下:

public long getDelay(TimeUnit unit) {
    return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
}

通过构造函数可以看出延迟时间参数ns的单位是纳秒,自己设计的时候最好使用纳秒,因为getDelay时可以指定任意单位,一旦以纳秒作为单位,而延时的时间又精确不到纳秒就麻烦了。

使用时请注意当time小于当前时间时,getDelay会返回负数。

如何实现延时队列

延时队列的实现很简单,当消费者从队列里获取元素时,如果元素没有达到延时时间,就阻塞当前线程。

long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
    if (delay <= 0)
        return q.poll();
    else if (leader != null)
        available.await();

SynchronousQueue

SynchronousQueue 是一个不存储元素的阻塞队列。

每一个put操作必须等待一个take操作,否则不能继续添加元素。SynchronousQueue可以看成是一个传球手,负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。队列本身并不存储任何元素,非常适合于传递性场景,比如在一个线程中使用的数据,传递给另外一个线程使。

SynchronousQueue 的吞吐量高于 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一个由链表结构组成的无界阻塞TransferQueue队列。相对于其他阻塞队列LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。

transfer方法。

如果当前有消费者正在等待接收元素(消费者使用take()方法或带时间限制的poll()方法时),transfer方法可以把生产者传入的元素立刻transfer(传输)给消费者。如果没有消费者在等待接收元素,transfer方法会将元素存放在队列的tail节点,并等到该元素被消费者消费了才返回。

transfer方法的关键代码如下:

Node pred = tryAppend(s, haveData);
return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);

第一行代码是试图把存放当前元素的s节点作为tail节点。

第二行代码是让CPU自旋等待消费者消费元素。因为自旋会消耗CPU,所以自旋一定的次数后使用Thread.yield()方法来暂停当前正在执行的线程,并执行其他线程。

tryTransfer方法。

则是用来试探下生产者传入的元素是否能直接传给消费者。如果没有消费者等待接收元素,则返回false。和transfer方法的区别是tryTransfer方法无论消费者是否接收,方法立即返回。而transfer方法是必须等到消费者消费了才返回。

对于带有时间限制的 tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit) 方法,则是试图把生产者传入的元素直接传给消费者,但是如果没有消费者消费该元素则等待指定的时间再返回,如果超时还没消费元素,则返回false,如果在超时时间内消费了元素,则返回true。

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的你可以从队列的两端插入和移出元素。双端队列因为多了一个操作队列的入口,在多线程同时入队时,也就减少了一半的竞争。

相比其他的阻塞队列,LinkedBlockingDeque多了addFirst,addLast,offerFirst,offerLast,peekFirst,peekLast等方法,以First单词结尾的方法,表示插入,获取(peek)或移除双端队列的第一个元素。以Last单词结尾的方法,表示插入,获取或移除双端队列的最后一个元素。

另外插入方法add等同于addLast,移除方法remove等效于removeFirst。

但是take方法却等同于takeFirst,不知道是不是Jdk的bug,使用时还是用带有First和Last后缀的方法更清楚。

在初始化LinkedBlockingDeque时可以初始化队列的容量,用来防止其再扩容时过渡膨胀。

另外双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。

阻塞队列的实现原理

如果队列是空的,消费者会一直等待,当生产者添加元素时候,消费者是如何知道当前队列有元素的呢?

如果让你来设计阻塞队列你会如何设计,让生产者和消费者能够高效率的进行通讯呢?让我们先来看看JDK是如何实现的。

使用通知模式实现。

所谓通知模式,就是当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞住生产者,当消费者消费了一个队列中的元素后,会通知生产者当前队列可用。

ArrayBlockingQueue

备注:基于 JDK 1.8.0_191

通过查看JDK源码发现 ArrayBlockingQueue 使用了Condition来实现,代码如下:

    /*
     * Concurrency control uses the classic two-condition algorithm
     * found in any textbook.
     */

    /** Main lock guarding all access */
    final ReentrantLock lock;

    /** Condition for waiting takes */
    private final Condition notEmpty;

    /** Condition for waiting puts */
    private final Condition notFull;
  • 集合的初始化
    /**
     * Creates an {@code ArrayBlockingQueue} with the given (fixed)
     * capacity and the specified access policy.
     *
     * @param capacity the capacity of this queue
     * @param fair if {@code true} then queue accesses for threads blocked
     *        on insertion or removal, are processed in FIFO order;
     *        if {@code false} the access order is unspecified.
     * @throws IllegalArgumentException if {@code capacity < 1}
     */
    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();
    }

put() & take()

    /**
     * Inserts the specified element at the tail of this queue, waiting
     * for space to become available if the queue is full.
     *
     * @throws InterruptedException {@inheritDoc}
     * @throws NullPointerException {@inheritDoc}
     */
    public void put(E e) throws InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            enqueue(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == 0)
            notEmpty.await();
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

其实比较简单,就是放入的时候是否已经满;取出的时候判断是否已经空。

await()

AbstractQueuedSynchronizer 类中实现如下

/**
 * Implements interruptible condition wait.
 * <ol>
 * <li> If current thread is interrupted, throw InterruptedException.
 * <li> Save lock state returned by {@link #getState}.
 * <li> Invoke {@link #release} with saved state as argument,
 *      throwing IllegalMonitorStateException if it fails.
 * <li> Block until signalled or interrupted.
 * <li> Reacquire by invoking specialized version of
 *      {@link #acquire} with saved state as argument.
 * <li> If interrupted while blocked in step 4, throw InterruptedException.
 * </ol>
 */
public final void await() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    Node node = addConditionWaiter();
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

LockSupport.park(this); 这句话用来阻塞,继续深入源码,如下:

public static void park(Object blocker) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    setBlocker(t, blocker);
    UNSAFE.park(false, 0L);
    setBlocker(t, null);
}

park 方法

UNSAFE.park(false, 0L); 是个native方法,接口如下:

public native void park(boolean isAbsolute, long time);

park这个方法会阻塞当前线程,只有以下四种情况中的一种发生时,该方法才会返回。

与park对应的unpark执行或已经执行时。注意:已经执行是指unpark先执行,然后再执行的park。 线程被中断时。

如果参数中的time不是零,等待了指定的毫秒数时。

发生异常现象时。这些异常事先无法确定。

我们继续看一下JVM是如何实现park方法的,park在不同的操作系统使用不同的方式实现,在linux下是使用的是系统方法pthread_cond_wait实现。

实现代码在JVM源码路径 src/os/linux/vm/os_linux.cpp里的 os::PlatformEvent::park 方法,代码如下:

void os::PlatformEvent::park() {
	     int v ;
    for (;;) {
	v = _Event ;
    if (Atomic::cmpxchg (v-1, &_Event, v) == v) break ;
    }
    guarantee (v >= 0, "invariant") ;
    if (v == 0) {
    // Do this the hard way by blocking ...
    int status = pthread_mutex_lock(_mutex);
    assert_status(status == 0, status, "mutex_lock");
    guarantee (_nParked == 0, "invariant") ;
    ++ _nParked ;
    while (_Event < 0) {
    status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);
    // for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ...
    // Treat this the same as if the wait was interrupted
    if (status == ETIME) { status = EINTR; }
    assert_status(status == 0 || status == EINTR, status, "cond_wait");
    }
    -- _nParked ;
    // In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(),
    // but then we'd need a MEMBAR after the ST.
    _Event = 0 ;
    status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
    assert_status(status == 0, status, "mutex_unlock");
    }
    guarantee (_Event >= 0, "invariant") ;
    }
}

pthread_cond_wait是一个多线程的条件变量函数,cond是condition的缩写,字面意思可以理解为线程在等待一个条件发生,这个条件是一个全局变量。这个方法接收两个参数,一个共享变量_cond,一个互斥量_mutex。而unpark方法在linux下是使用pthread_cond_signal实现的。

park 在windows下则是使用WaitForSingleObject实现的。

队列满

当队列满时,生产者往阻塞队列里插入一个元素,生产者线程会进入WAITING (parking)状态。我们可以使用jstack dump阻塞的生产者线程看到这点:

"main" prio=5 tid=0x00007fc83c000000 nid=0x10164e000 waiting on condition [0x000000010164d000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
        at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
        - parking to wait for  <0x0000000140559fe8> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject)
        at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186)
        at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2043)
        at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.put(ArrayBlockingQueue.java:324)
        at blockingqueue.ArrayBlockingQueueTest.main(ArrayBlockingQueueTest.java:11)

个人感受

  • 基础知识,底层全是 C。再往下看也没啥意思了。

  • 网上的博客都是一样的,这很悲催。包括本篇。希望以后自己可以拓展下本系列的内容,不断完善。

参考资料

《java 并发编程的艺术》

http://ifeve.com/java-blocking-queue/

https://www.cnblogs.com/tjudzj/p/4454490.html