Java并发编程：阻塞队列

本文先讲述一下java.util.concurrent包下提供主要的几种阻塞队列，而后分析了阻塞队列和非阻塞队列的中的各个方法，接着分析了阻塞队列的实现原理，最后给出了一个实际例子和几个使用场景。

　　一.几种主要的阻塞队列

　　二.阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法

　　三.阻塞队列的实现原理

　　四.示例和使用场景

　　若有不正之处请多多体谅，并欢迎批评指正。

一.几种主要的阻塞队列

自从Java 1.5之后，在java.util.concurrent包下提供了若干个阻塞队列，主要有以下几个：

ArrayBlockingQueue：基于数组实现的一个阻塞队列，在创立ArrayBlockingQueue对象时必需制定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间最长的队列最优先能够访问队列。

LinkedBlockingQueue：基于链表实现的一个阻塞队列，在创立LinkedBlockingQueue对象时假如不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE。

PriorityBlockingQueue：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（通过源码即可以知道，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推迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列，因而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。

二.阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法

1.非阻塞队列中的几个主要方法：

add(E e)：将元素e插入到队列末尾，假如插入成功，则返回true；假如插入失败（即队列已满），则会抛出异常；

remove()：移除队首元素，若移除成功，则返回true；假如移除失败（队列为空），则会抛出异常；

offer(E e)：将元素e插入到队列末尾，假如插入成功，则返回true；假如插入失败（即队列已满），则返回false；

poll()：移除并获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null；

peek()：获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null

?对于非阻塞队列，一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法，不建议使用add和remove方法。由于使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意，非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。

2.阻塞队列中的几个主要方法：

阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法，上面列举的5个方法在阻塞队列中都存在，但是要注意这5个方法在阻塞队列中都进行了同步措施。

除此之外，阻塞队列提供了另外4个非常有用的方法：

　　put(E e)

　　take()

　　offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)

　　poll(long timeout, TimeUnit unit)

这四个方法的了解：

　　put方法用来向队尾存入元素，假如队列满，则等待；

　　take方法用来从队首取元素，假如队列为空，则等待；

　　offer方法用来向队尾存入元素，假如队列满，则等待肯定的时间，当时间期限达到时，假如还没有插入成功，则返回false；否则返回true；

　　poll方法用来从队首取元素，假如队列空，则等待肯定的时间，当时间期限达到时，假如取到，则返回null；否则返回获得的元素；

三.阻塞队列的实现原理

前面谈到了非阻塞队列和阻塞队列中常用的方法，下面来讨论阻塞队列的实现原理，本文以ArrayBlockingQueue为例，其余阻塞队列实现原理可能和ArrayBlockingQueue有少量差别，但是大体思路应该相似，有兴趣的朋友可自行查看其余阻塞队列的实现源码。

首先看一下ArrayBlockingQueue类中的几个成员变量：

public?class?ArrayBlockingQueue?extends?AbstractQueue

implements?BlockingQueue,?java.io.Serializable?

{

private?static?final?long serialVersionUID =?-817911632652898426L;

/** The queued items ?*/

private?final?E[] items;

/** items index for next take, poll or remove */

private?int takeIndex;

/** items index for next put, offer, or add. */

private?int putIndex;

/** Number of items in the queue */

private?int count;

/*

* Concurrency control uses the classic two-condition algorithm

* found in any textbook.

*/

/** Main lock guarding all access */

private?final?ReentrantLock lock;

/** Condition for waiting takes */

private?final?Condition notEmpty;

/** Condition for waiting puts */

private?final?Condition notFull;

}

可以看出，ArrayBlockingQueue中用来存储元素的实际上是一个数组，takeIndex和putIndex分别表示队首元素和队尾元素的下标，count表示队列中元素的个数。

lock是一个可重入锁，notEmpty和notFull是等待条件。

下面看一下ArrayBlockingQueue的构造器，构造器有三个重载版本：

public?ArrayBlockingQueue(int?capacity)?{

}

public?ArrayBlockingQueue(int?capacity,?boolean?fair)?{

}

public?ArrayBlockingQueue(int?capacity,?boolean?fair,

Collection c)

?{

}

第一个构造器只有一个参数用来指定容量，第二个构造器可以指定容量和公平性，第三个构造器可以指定容量、公平性以及用另外一个集合进行初始化。

而后看它的两个关键方法的实现：put()和take()：

public?void?put(E e) throws InterruptedException?{

if?(e ==?null)?throw?new?NullPointerException();

final E[] items =?this.items;

final ReentrantLock?lock?=?this.lock;

lock.lockInterruptibly();

try?{

try?{

while?(count == items.length)

notFull.await();

}?catch?(InterruptedException ie) {

notFull.signal();?// propagate to non-interrupted thread

throw?ie;

}

insert(e);

}?finally?{

lock.unlock();

}

}

从put方法的实现可以看出，它先获取了锁，并且获取的是可中断锁，而后判断当前元素个数能否等于数组的长度，假如相等，则调用notFull.await()进行等待，假如捕获到中断异常，则唤醒线程并抛出异常。

当被其余线程唤醒时，通过insert(e)方法插入元素，最后解锁。

我们看一下insert方法的实现：

private?void?insert(E x)?{

items[putIndex] = x;

putIndex = inc(putIndex);

++count;

notEmpty.signal();

}

它是一个private方法，插入成功后，通过notEmpty唤醒正在等待取元素的线程。

下面是take()方法的实现：

public?E?take() throws InterruptedException?{

final ReentrantLock?lock?=?this.lock;

lock.lockInterruptibly();

try?{

try?{

while?(count ==?0)

notEmpty.await();

}?catch?(InterruptedException ie) {

notEmpty.signal();?

// propagate to non-interrupted thread

throw?ie;

}

E x = extract();

return?x;

}?finally?{

lock.unlock();

}

}

跟put方法实现很相似，只不过put方法等待的是notFull信号，而take方法等待的是notEmpty信号。

在take方法中，假如可以取元素，则通过extract方法获得元素，下面是extract方法的实现：

private?E?extract()?{

final?E[] items =?this.items;

E x = items[takeIndex];

items[takeIndex] =?null;

takeIndex = inc(takeIndex);

–count;

notFull.signal();

return?x;

}

跟insert方法也很相似。

其实从这里大家应该明白了阻塞队列的实现原理，事实它和我们用Object.wait()、Object.notify()和非阻塞队列实现生产者-消费者的思路相似，只不过它把这些工作一起集成到了阻塞队列中实现。

四.示例和使用场景

下面先使用Object.wait()和Object.notify()、非阻塞队列实现生产者-消费者模式：

public?class?Test?{

private?int?queueSize =?10;

private?PriorityQueue?queue?=?new?PriorityQueue(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){

synchronized (queue) {

while(queue.size() ==?0){

try?{

System.out.println(“队列空，等待数据”);

queue.wait();

}?catch?(InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

queue.notify();

}

}

queue.poll();//每次移走队首元素

queue.notify();

System.out.println(“从队列取走一个元素，队列剩余”+

queue.size()+”个元素”);

}

}

}

}

class?Producer?extends?Thread{

@Override

public?void?run()?

{

produce();

}

private?void?produce()?{

while(true){

synchronized (queue) {

while(queue.size() == queueSize){

try?{

System.out.println(“队列满，等待有空余空间”);

queue.wait();

}?catch?(InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

queue.notify();

}

}

queue.offer(1);//每次插入一个元素

queue.notify();

System.out.println(“向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：”+

(queueSize-queue.size()));

}

}

}

}

}

这个是经典的生产者-消费者模式，通过阻塞队列和Object.wait()和Object.notify()实现，wait()和notify()主要用来实现线程间通信。

具体的线程间通信方式（wait和notify的使用）在后续问章中会讲述到。

下面是使用阻塞队列实现的生产者-消费者模式：

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();

}

}

}

}

}

有没有发现，使用阻塞队列代码要简单得多，不需要再单独考虑同步和线程间通信的问题。

在并发编程中，一般推荐使用阻塞队列，这样实现可以尽量地避免程序出现意外的错误。

阻塞队列使用最经典的场景就是socket用户端数据的读取和解析，读取数据的线程不断将数据放入队列，而后解析线程不断从队列取数据解析。还有其余相似的场景，只需符合生产者-消费者模型的都可以使用阻塞队列。在这里顺便给大家推荐一个架构交流群：617434785，里面会分享少量资深架构师录制的视频录像：有Spring，MyBatis，Netty源码分析，高并发、高性能、分布式、微服务架构的原理，JVM性能优化这些成为架构师必备的知识体系。