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Java并发编程:阻塞队列

  • 时间:2016-07-05
  • 发布:苏州java培训
  • 来源:达内新闻

苏州java培训本课学习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,然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谅解,并欢迎批评指正。

请尊重作者劳动成果,转载请标明原文链接:

http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3932906.html

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,在创建ArrayBlockingQueue对象时必须制定容量大小。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,在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小,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。

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,如果插入成功,则返回true;如果插入失败(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;如果移除失败(队列为空),则会抛出异常;

offer(E e):将元素e插入到队列末尾,如果插入成功,则返回true;如果插入失败(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。因为使用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)

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;

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,下面来探讨阻塞队列的实现原理,本文以ArrayBlockingQueue为例,其他阻塞队列实现原理可能和ArrayBlockingQueue有一些差别,但是大体思路应该类似,有兴趣的朋友可自行查看其他阻塞队列的实现源码。

首先看一下ArrayBlockingQueue类中的几个成员变量:

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public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>

implements BlockingQueue<E>, 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:

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public ArrayBlockingQueue(int capacity) {

}

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {

}

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,

Collection<? extends E> 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。

然后看它的两个关键方法的实现:put()和take():

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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)

otFull.await();

} catch (InterruptedException ie) {

otFull.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,然后判断当前元素个数是否等于数组的长度,如果相等,则调用notFull.await()进行等待,如果捕获到中断异常,则唤醒线程并抛出异常。

当被其他线程唤醒时,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:

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private void insert(E x) {

items[putIndex] = x;

putIndex = inc(putIndex);

++count;

otEmpty.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:

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public E take() throws InterruptedException {

final ReentrantLock lock = this.lock;

lock.lockInterruptibly();

try {

try {

while (count == 0)

otEmpty.await();

} catch (InterruptedException ie) {

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

throw ie;

}

E x = extract();

return x;

} finally {

lock.unlock();

}

}

跟put方法实现很类似,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,如果可以取元素,则通过extract方法取得元素,下面是extract方法的实现:

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private E extract() {

final E[] items = this.items;

E x = items[takeIndex];

items[takeIndex] = null;

takeIndex = inc(takeIndex);

--count;

otFull.signal();

return x;

}

跟insert方法也很类似。

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-消费者的思路类似,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:

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public class Test {

private int queueSize = 10;

private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(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:

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public class Test {

private int queueSize = 10;

private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(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客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,然后解析线程不断从队列取数据解析。还有其他类似的场景,只要符合生产者-消费者模型的都可以使用阻塞队列。

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