BlockingQueue

JAVA中的阻塞队列

一.什么是阻塞队列?

阻塞队列是一个在队列基础上又支持了两个附加操作的队列。

2个附加操作:

支持阻塞的插入方法:队列满时,队列会阻塞插入元素的线程,直到队列不满。
支持阻塞的移除方法:队列空时,获取元素的线程会等待队列变为非空。

二.阻塞队列的应用场景

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景,生产者是向队列里添加元素的线程,消费者是从队列里取元素的线程。简而言之,阻塞队列是生产者用来存放元素、消费者获取元素的容器。

三.几个方法

在阻塞队列不可用的时候,上述2个附加操作提供了4种处理方式(以下来自JDK1.8文档):


image.png

从上表我们可以看出,当队列满时,如果我们插入元素,那么会有抛异常、返回特定值、阻塞和超时退出4种情况。相对于取元素(队列空)也有这4种情况。

四.JAVA里的阻塞队列

JAVA 7 提供了7个阻塞队列,如下

①:ArrayBlockingQueue 数组结构组成的有界阻塞队列。

此队列按照先进先出(FIFO)的原则对元素进行排序,但是默认情况下不保证线程公平的访问队列,即如果队列满了,那么被阻塞在外面的线程对队列访问的顺序是不能保证线程公平(即先阻塞,先插入)的。

②:LinkedBlockingQueue一个由链表结构组成的有界阻塞队列

此队列按照先出先进的原则对元素进行排序

③:PriorityBlockingQueue支持优先级的无界阻塞队列

④:DelayQueue支持延时获取元素的无界阻塞队列,即可以指定多久才能从队列中获取当前元素

⑤:SynchronousQueue不存储元素的阻塞队列,每一个put必须等待一个take操作,否则不能继续添加元素。并且他支持公平访问队列。

⑥:LinkedTransferQueue由链表结构组成的无界阻塞TransferQueue队列。相对于其他阻塞队列,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(take或者待时间限制的poll方法),transfer可以把生产者传入的元素立刻传给消费者。如果没有消费者等待接收元素,则将元素放在队列的tail节点,并等到该元素被消费者消费了才返回。
tryTransfer方法,用来试探生产者传入的元素能否直接传给消费者。如果没有消费者在等待,则返回false。和上述方法的区别是该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。
⑦:LinkedBlockingDeque链表结构的双向阻塞队列,优势在于多线程入队时,减少一半的竞争。

五.原理

其实阻塞队列实现阻塞同步的方式很简单,使用的就是Lock锁的多条件(condition)阻塞控制。使用BlockingQueue封装了根据条件阻塞线程的过程,而我们就不用关心繁琐的await/signal操作了。

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {

        if (capacity <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        //创建数组    
        this.items = new Object[capacity];
        //创建锁和阻塞条件
        lock = new ReentrantLock(fair);   
        notEmpty = lock.newCondition();
        notFull =  lock.newCondition();
    }
//添加元素的方法
public void put(E e) throws InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            //如果队列不满就入队
            enqueue(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
 //入队的方法
 private void enqueue(E x) {
        final Object[] items = this.items;
        items[putIndex] = x;
        if (++putIndex == items.length)
            putIndex = 0;
        count++;
        notEmpty.signal();
    }
 //移除元素的方法
 public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
 //出队的方法
 private E dequeue() {
        final Object[] items = this.items;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E x = (E) items[takeIndex];
        items[takeIndex] = null;
        if (++takeIndex == items.length)
            takeIndex = 0;
        count--;
        if (itrs != null)
            itrs.elementDequeued();
        notFull.signal();
        return x;
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