ToB企服应用市场:ToB评测及商务社交产业平台

标题: 多线程系列(十三) -一文带你搞懂壅闭队列 [打印本页]

作者: 道家人 时间: 2024-5-13 00:16
标题: 多线程系列(十三) -一文带你搞懂壅闭队列
一、摘要

在之前的文章中，我们介绍了生产者和消耗者模型的最基本实现思路，相信大家对它已经有一个初步的熟悉。
在 Java 的并发包内里另有一个非常重要的接口：BlockingQueue。
BlockingQueue是一个壅闭队列，更为正确的解释是：BlockingQueue是一个基于壅闭机制实现的线程安全的队列。通过它也可以实现生产者和消耗者模型，而且效率更高、安全可靠，相比之前介绍的生产者和消耗者模型，它可以同时实现生产者和消耗者并行运行。

那什么是壅闭队列呢？
简朴的说，就是当参数在入队和出队时，通过加锁的方式来制止线程并发操作时导致的数据异常问题。
在 Java 中，能对线程并发执行进行加锁的方式主要有synchronized和ReentrantLock，其中BlockingQueue接纳的是ReentrantLock方式实现。
与此对应的另有非壅闭机制的队列，主要是接纳 CAS 方式来控制并发操作，例如：ConcurrentLinkedQueue，这个我们在后面的文章再进行分享介绍。
今天我们主要介绍BlockingQueue相关的知识和用法，废话不多说了，进入正题！
二、BlockingQueue 方法介绍

打开BlockingQueue的源码，你会发现它继承自Queue，正如上文提到的，它本质是一个队列接口。

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {
//...省略
}

复制代码

关于队列，我们在之前的集合系列文章中对此有过深入的介绍，本篇就再次简朴的介绍一下。
队列实在是一个数据结构，元素遵循先辈先出的原则，所有新元素的插入，也被称为入队操作，会插入到队列的尾部；元素的移除，也被称为出队操作，会从队列的头部开始移除，从而保证先辈先出的原则。
在Queue接口中，总共有 6 个方法，可以分为 3 类，分别是：插入、移除、查询，内容如下：
方法描述add(e)插入元素，如果插入失败，就抛异常offer(e)插入元素，如果插入成功，就返回 true；反之 falseremove()移除元素，如果移除失败，就抛异常poll()移除元素，如果移除成功，返回 true；反之 falseelement()获取队首元素，如果获取效果为空，就抛异常peek()获取队首元素，如果获取效果为空，返回空对象由于BlockingQueue是Queue的子接口，相识Queue接口内里的方法，有助于我们对BlockingQueue的理解。
除此之外，BlockingQueue还单独扩展了一些特有的方法，内容如下：
方法描述put(e)插入元素，如果没有插入成功，线程会一直壅闭，直到队列中有空间再继续offer(e, time, unit)插入元素，如果在指定的时间内没有插入成功，就返回 false；反之 truetake()移除元素，如果没有移除成功，线程会一直壅闭，直到队列中新的数据被加入poll(time, unit)移除元素，如果在指定的时间内没有移除成功，就返回 false；反之 truedrainTo(Collection c, int maxElements)一次性取走队列中的数据到 c 中，可以指定取的个数。该方法可以提升获取数据效率，不需要多次分批加锁或释放锁分析源码，你会发现相比平凡的Queue子类，BlockingQueue子类主要有以下几个明显的不同点：

1.元素插入和移除时线程安全：主要是通过在入队和出队时进行加锁，保证了队列线程安全，加锁逻辑接纳ReentrantLock实现
2.支持壅闭的入队和出队方法：当队列满时，会壅闭入队的线程，直到队列不满；当队列为空时，会壅闭出队的线程，直到队列中有元素；同时支持超时机制，防止线程一直壅闭

三、BlockingQueue 用法详解

打开源码，BlockingQueue接口的实现类非常多，我们重点讲解一下其中的 5 个非常重要的实现类，分别如下表所示。
实现类功能ArrayBlockingQueue基于数组的壅闭队列，使用数组存储数据，需要指定长度，所以是一个有界队列LinkedBlockingQueue基于链表的壅闭队列，使用链表存储数据，默认是一个无界队列；也可以通过构造方法中的capacity设置最大元素数量，所以也可以作为有界队列SynchronousQueue一种没有缓冲的队列，生产者产生的数据直接会被消耗者获取而且立刻消耗PriorityBlockingQueue基于优先级别的壅闭队列，底层基于数组实现，是一个无界队列DelayQueue延迟队列，其中的元素只有到了其指定的延迟时间，才华够从队列中出队下面我们对以上实现类的用法，进行一一介绍。
3.1、ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个基于数组的壅闭队列，初始化的时候必须指定队列大小，源码实现比较简朴，接纳的是ReentrantLock和Condition实现生产者和消耗者模型，部分焦点源码如下：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
/** 使用数组存储队列中的元素 */
final Object[] items;
/** 使用独占锁ReetrantLock */
final ReentrantLock lock;
/** 等待出队的条件 */
private final Condition notEmpty;
/** 等待入队的条件 */
private final Condition notFull;
/** 初始化时，需要指定队列大小 */
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
this(capacity, false);
}
/** 初始化时，也指出指定是否为公平锁， */
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();
}
/**入队操作*/
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();
}
}
/**出队操作*/
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}

复制代码

把最上面的样例Container中的壅闭队列实现类换成LinkedBlockingQueue，调整如下：

public class Container {
/**
* 初始化阻塞队列
*/
private final BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);
/**
* 添加数据到阻塞队列
* @param value
*/
public void add(Integer value) {
try {
queue.put(value);
System.out.println("生产者："+ Thread.currentThread().getName()+"，add：" + value);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
/**
* 从阻塞队列获取数据
*/
public void get() {
try {
Integer value = queue.take();
System.out.println("消费者："+ Thread.currentThread().getName()+"，value：" + value);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

复制代码

再次运行效果如下：

/**
* 生产者
*/
public class Producer extends Thread {
private Container container;
public Producer(Container container) {
this.container = container;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 6; i++) {
container.add(i);
}
}
}

复制代码

可以很清楚的看到，生产者线程和消耗者线程，瓜代并行执行。
3.3、SynchronousQueue

SynchronousQueue是一个没有缓冲的队列，生产者产生的数据直接会被消耗者获取而且立刻消耗，相当于传统的一个请求对应一个应答模式。
相比ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue，SynchronousQueue实现机制也不同，它主要接纳队列和栈来实现数据的通报，中间不存储任何数据，生产的数据必须得消耗者处理，线程壅闭方式接纳 JDK 提供的LockSupport park/unpark函数来完成，也支持公平和非公平两种模式。

当接纳公平模式时：使用一个 FIFO 队列来管理多余的生产者和消耗者
当接纳非公平模式时：使用一个 LIFO 栈来管理多余的生产者和消耗者，这也是SynchronousQueue默认的模式

部分焦点源码如下：

/**
* 消费者
*/
public class Consumer extends Thread {
private Container container;
public Consumer(Container container) {
this.container = container;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 6; i++) {
container.get();
}
}
}

复制代码

同样的，把最上面的样例Container中的壅闭队列实现类换成SynchronousQueue，代码如下：

/**
* 测试类
*/
public class MyThreadTest {
public static void main(String[] args) {
Container container = new Container();
Producer producer = new Producer(container);
Consumer consumer = new Consumer(container);
producer.start();
consumer.start();
}
}

复制代码

再次运行效果如下：

生产者：Thread-0，add：0
生产者：Thread-0，add：1
生产者：Thread-0，add：2
生产者：Thread-0，add：3
生产者：Thread-0，add：4
生产者：Thread-0，add：5
消费者：Thread-1，value：0
消费者：Thread-1，value：1
消费者：Thread-1，value：2
消费者：Thread-1，value：3
消费者：Thread-1，value：4
消费者：Thread-1，value：5

复制代码

可以很清楚的看到，生产者线程和消耗者线程，瓜代串行执行，生产者每投递一条数据，消耗者处理一条数据。
3.4、PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个基于优先级别的壅闭队列，底层基于数组实现，可以以为是一个无界队列。
PriorityBlockingQueue与ArrayBlockingQueue的实现逻辑，基本相似，也是接纳ReentrantLock来实现加锁的操作。
最大不同点在于：

1.PriorityBlockingQueue内部基于数组实现的最小二叉堆算法，可以对队列中的元素进行排序，插入队列的元素需要实现Comparator或者Comparable接口，以便对元素进行排序
2.其次，队列的长度是可扩展的，不需要显式指定长度，上限为Integer.MAX_VALUE - 8

部分焦点源码如下：
[code]public class PriorityBlockingQueue extends AbstractQueue implements BlockingQueue, java.io.Serializable { /**队列元素*/ private transient Object[] queue; /**比较器*/ private transient Comparator

欢迎光临 ToB企服应用市场:ToB评测及商务社交产业平台 (https://dis.qidao123.com/)