多執行緒編程學習六(Java 中的阻塞隊列).

  • 2019 年 10 月 3 日
  • 筆記

介紹

阻塞隊列（BlockingQueue）是指當隊列滿時，隊列會阻塞插入元素的執行緒，直到隊列不滿；當隊列空時，隊列會阻塞獲得元素的執行緒，直到隊列變非空。阻塞隊列就是生產者用來存放元素、消費者用來獲取元素的容器。

當執行緒 插入/獲取 動作由於隊列 滿/空 阻塞後，隊列也提供了一些機制去處理，或拋出異常，或返回特殊值，或者執行緒一直等待...

方法/處理方式 拋出異常 返回特殊值 一直阻塞 超時退出
插入方法 add(e) offer(e) put(e) offer(e, timeout, unit)
移除方法 remove(o) poll() take() poll(timeout, unit)
檢查方法 element() peek() — 不移除元素 不可用 不可用

tips： 如果是無界阻塞隊列，則 put 方法永遠不會被阻塞；offer 方法始終返回 true。

Java 中的阻塞隊列：

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue 是一個用數組實現的有界阻塞隊列。此隊列按照先進先出（FIFO）的原則對元素進行排序，默認情況下不保證執行緒公平的訪問。

通過可重入的獨佔鎖 ReentrantLock 來控制並發，Condition 來實現阻塞。

public class ArrayBlockingQueueTest {        /**       * 1. 由於是有界阻塞隊列，需要設置初始大小       * 2. 默認不保證阻塞執行緒的公平訪問，可設置公平性       */      private static ArrayBlockingQueue<String> QUEUE = new ArrayBlockingQueue<>(2, true);        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {            Thread put = new Thread(() -> {              // 3. 嘗試插入元素              try {                  QUEUE.put("java");                  QUEUE.put("javaScript");                  // 4. 元素已滿，會阻塞執行緒                  QUEUE.put("c++");              } catch (InterruptedException e) {                  e.printStackTrace();              }          });          put.start();          Thread take = new Thread(() -> {              try {                  // 5. 獲取一個元素                  System.out.println(QUEUE.take());              } catch (InterruptedException e) {                  e.printStackTrace();              }          });          take.start();          // 6 javaScript、c++          System.out.println(QUEUE.take());          System.out.println(QUEUE.take());      }  }

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue 是一個用單向鏈表實現的有界阻塞隊列。此隊列的默認最大長度為 Integer.MAX_VALUE。此隊列按照先進先出的原則對元素進行排序，吞吐量通常要高於ArrayBlockingQueue。Executors.newFixedThreadPool() 就使用了這個隊列。

和 ArrayBlockingQueue 一樣，採用 ReentrantLock 來控制並發，不同的是它使用了兩個獨佔鎖來控制消費和生產，通過 takeLock 和 putLock 兩個鎖來控制生產和消費，互不干擾，只要隊列未滿，生產執行緒可以一直生產；只要隊列不空，消費執行緒可以一直消費，不會相互因為獨佔鎖而阻塞。

tips：因為使用了雙鎖，避免並發計算不準確，使用了一個 AtomicInteger 變數統計元素總量。

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque 是一個由雙向鏈表結構組成的有界阻塞隊列，可以從隊列的兩端插入和移出元素。它實現了BlockingDeque介面，多了addFirst、addLast、offerFirst、offerLast、peekFirst和peekLast等方法，以 First 單詞結尾的方法，表示插入、獲取或移除雙端隊列的第一個元素。以 Last 單詞結尾的方法，表示插入、獲取或移除雙端隊列的最後一個元素。

LinkedBlockingDeque 的 Node 實現多了指向前一個節點的變數 prev，以此實現雙向隊列。並發控制上和 ArrayBlockingQueue 類似，採用單個 ReentrantLock 來控制並發。因為雙端隊列頭尾都可以消費和生產，所以使用了一個共享鎖。

雙向阻塞隊列可以運用在「工作竊取」模式中。

public class LinkedBlockingDequeTest {        private static LinkedBlockingDeque<String> DEQUE = new LinkedBlockingDeque<>(2);        public static void main(String[] args) {          DEQUE.addFirst("java");          DEQUE.addFirst("c++");          // java          System.out.println(DEQUE.peekLast());          // java          System.out.println(DEQUE.pollLast());          DEQUE.addLast("php");          // c++          System.out.println(DEQUE.pollFirst());      }  }

tips： take() 方法調用的是 takeFirst()，使用時候需注意。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue 是一個底層由數組實現的無界阻塞隊列，並帶有排序功能。由於是無界隊列，所以插入永遠不會被阻塞。默認情況下元素採取自然順序升序排列。也可以自定義類實現 compareTo()方法來指定元素排序規則，或者初始化 PriorityBlockingQueue 時，指定構造參數 Comparator 來對元素進行排序。

底層同樣採用 ReentrantLock 來控制並發，由於只有獲取會阻塞，所以只採用一個Condition（只通知消費）來實現。

public class PriorityBlockingQueueTest {        private static PriorityBlockingQueue<String> QUEUE = new PriorityBlockingQueue<>();        public static void main(String[] args) {          QUEUE.add("java");          QUEUE.add("javaScript");          QUEUE.add("c++");          QUEUE.add("python");          QUEUE.add("php");          Iterator<String> it = QUEUE.iterator();          while (it.hasNext()) {              // c++  javaScript  java  python  php              // 同優先順序不保證排序順序              System.out.print(it.next() + "  ");          }      }  }

DelayQueue

DelayQueue 是一個支援延時獲取元素的無界阻塞隊列。隊列使用 PriorityQueue 來實現。隊列中的元素必須實現 Delayed 介面（Delayed 介面的設計可以參考 ScheduledFutureTask 類），元素按延遲優先順序排序，延遲時間短的排在前面，只有在延遲期滿時才能從隊列中提取元素。

DelayQueue 中的 PriorityQueue 會對隊列中的任務進行排序。排序時，time 小的排在前面（時間早的任務將被先執行）。如果兩個任務的 time 相同，就比較 sequenceNumber，sequenceNumber 小的排在前面（也就是說，如果兩個任務的執行時間相同，那麼先提交的任務將被先執行）。

和 PriorityBlockingQueue 相似，底層也是數組，採用一個 ReentrantLock 來控制並發。

應用場景：

  1. 快取系統的設計：可以用 DelayQueue 保存快取元素的有效期，使用一個執行緒循環查詢 DelayQueue，一旦能從 DelayQueue 中獲取元素時，表示快取有效期到了。
  2. 定時任務調度：使用 DelayQueue 保存當天將會執行的任務和執行時間，一旦從 DelayQueue 中獲取到任務就開始執行，比如 TimerQueue 就是使用 DelayQueue 實現的。
public class DelayElement implements Delayed, Runnable {        private static final AtomicLong SEQUENCER = new AtomicLong();      /**       * 標識元素先後順序       */      private final long sequenceNumber;      /**       * 延遲時間，單位納秒       */      private long time;        public DelayElement(long time) {          this.time = System.nanoTime() + time;          this.sequenceNumber = SEQUENCER.getAndIncrement();      }        @Override      public long getDelay(TimeUnit unit) {          return unit.convert(time - System.nanoTime(), NANOSECONDS);      }        @Override      public int compareTo(Delayed other) {          // compare zero if same object          if (other == this) {              return 0;          }          if (other instanceof DelayElement) {              DelayElement x = (DelayElement) 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 diff = getDelay(NANOSECONDS) - other.getDelay(NANOSECONDS);          return (diff < 0) ? -1 : (diff > 0) ? 1 : 0;      }        @Override      public void run() {          System.out.println("sequenceNumber" + sequenceNumber);      }        @Override      public String toString() {          return "DelayElement{" + "sequenceNumber=" + sequenceNumber + ", time=" + time + '}';      }  }
public class DelayQueueTest {        private static DelayQueue<DelayElement> QUEUE = new DelayQueue<>();        public static void main(String[] args) {          // 1. 添加 10 個參數          for (int i = 1; i < 10; i++) {              // 2. 5 秒內隨機延遲              int nextInt = new Random().nextInt(5);              long convert = TimeUnit.NANOSECONDS.convert(nextInt, TimeUnit.SECONDS);              QUEUE.offer(new DelayElement(convert));          }          // 3. 查詢元素排序 —— 延遲短的排在前面          Iterator<DelayElement> iterator = QUEUE.iterator();          while (iterator.hasNext()) {              System.out.println(iterator.next());          }          // 4. 可觀察到元素延遲輸出          while (!QUEUE.isEmpty()) {              Thread thread = new Thread(QUEUE.poll());              thread.start();          }      }  }

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一個由鏈表結構組成的無界阻塞TransferQueue隊列。

並發控制上採用了大量的 CAS 操作，沒有使用鎖。

相對於其他阻塞隊列，LinkedTransferQueue 多了 tryTransfer 和 transfer 方法。

  1. transfer ： Transfers the element to a consumer, waiting if necessary to do so. 存入的元素必須等到有消費者消費才返回。
  2. tryTransfer：Transfers the element to a waiting consumer immediately, if possible. 如果有消費者正在等待消費元素，則把傳入的元素傳給消費者。否則立即返回 false，不用等到消費。

SynchronousQueue

SynchronousQueue 是一個不存儲元素的阻塞隊列。每一個 put 操作必須等待一個 take 操作，否則繼續 put 操作會被阻塞。Executors.newCachedThreadPool 就使用了這個隊列。

SynchronousQueue 默認情況下執行緒採用非公平性策略訪問隊列，未使用鎖，全部通過 CAS 操作來實現並發，吞吐量非常高，高於 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue，非常適合用來處理一些高效的傳遞性場景。Executors.newCachedThreadPool() 就使用了 SynchronousQueue 進行任務傳遞。

public class SynchronousQueueTest {        private static class SynchronousQueueProducer implements Runnable {            private BlockingQueue<String> blockingQueue;            private SynchronousQueueProducer(BlockingQueue<String> queue) {              this.blockingQueue = queue;          }            @Override          public void run() {              while (true) {                  try {                      String data = UUID.randomUUID().toString();                      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Put: " + data);                      blockingQueue.put(data);                      Thread.sleep(1000);                  } catch (InterruptedException e) {                      e.printStackTrace();                  }              }          }      }      private static class SynchronousQueueConsumer implements Runnable {            private BlockingQueue<String> blockingQueue;            private SynchronousQueueConsumer(BlockingQueue<String> queue) {              this.blockingQueue = queue;          }            @Override          public void run() {              while (true) {                  try {                      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " take(): " + blockingQueue.take());                      Thread.sleep(2000);                  } catch (InterruptedException e) {                      e.printStackTrace();                  }              }          }      }      public static void main(String[] args) {            final BlockingQueue<String> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>();          SynchronousQueueProducer queueProducer = new SynchronousQueueProducer(synchronousQueue);          new Thread(queueProducer, "producer - 1").start();          SynchronousQueueConsumer queueConsumer1 = new SynchronousQueueConsumer(synchronousQueue);          new Thread(queueConsumer1, "consumer — 1").start();          SynchronousQueueConsumer queueConsumer2 = new SynchronousQueueConsumer(synchronousQueue);          new Thread(queueConsumer2, "consumer — 2").start();      }  }

 
 

  1. 參考書籍：《Java 並發編程的藝術》
  2. 參考博文：https://www.cnblogs.com/konck/p/9473677.html

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