1. 什么是阻塞隊列？
阻塞隊列（BlockingQueue）是一個支持兩個附加操作的隊列。這兩個附加的操作是：在隊列為空時，獲取元素的線程會等待隊列變為非空。當隊列滿時，存儲元素的線程會等待隊列可用。阻塞隊列常用于生產者和消費者的場景，生產者是往隊列里添加元素的線程，消費者是從隊列里拿元素的線程。阻塞隊列就是生產者存放元素的容器，而消費者也只從容器里拿元素。
阻塞隊列提供了四種處理方法:
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,time,unit) |
| 移除方法 | remove() | poll() | take() | poll(time,unit) |
| 檢查方法 | element() | peek() | 不可用 | 不可用 |
- 拋出異常：是指當阻塞隊列滿時候，再往隊列里插入元素，會拋出IllegalStateException(“Queue full”)異常。當隊列為空時，從隊列里獲取元素時會拋出NoSuchElementException異常 。
- 返回特殊值：插入方法會返回是否成功，成功則返回true。移除方法，則是從隊列里拿出一個元素，如果沒有則返回null
- 一直阻塞：當阻塞隊列滿時，如果生產者線程往隊列里put元素，隊列會一直阻塞生產者線程，直到拿到數據，或者響應中斷退出。當隊列空時，消費者線程試圖從隊列里take元素，隊列也會阻塞消費者線程，直到隊列可用。
- 超時退出：當阻塞隊列滿時，隊列會阻塞生產者線程一段時間，如果超過一定的時間，生產者線程就會退出。
2. Java里的阻塞隊列
JDK7提供了7個阻塞隊列。分別是
- ArrayBlockingQueue ：一個由數組結構組成的有界阻塞隊列。
- LinkedBlockingQueue ：一個由鏈表結構組成的有界阻塞隊列。
- PriorityBlockingQueue ：一個支持優先級排序的無界阻塞隊列。
- DelayQueue：一個使用優先級隊列實現的無界阻塞隊列。
- SynchronousQueue：一個不存儲元素的阻塞隊列。
- LinkedTransferQueue：一個由鏈表結構組成的無界阻塞隊列。
- LinkedBlockingDeque：一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。
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。默認情況下不保證訪問者公平的訪問隊列，所謂公平訪問隊列是指阻塞的所有生產者線程或消費者線程，當隊列可用時，可以按照阻塞的先后順序訪問隊列，即先阻塞的生產者線程，可以先往隊列里插入元素，先阻塞的消費者線程，可以先從隊列里獲取元素。通常情況下為了保證公平性會降低吞吐量。我們可以使用以下代碼創建一個公平的阻塞隊列：
| 1 | ArrayBlockingQueue fairQueue =?new??ArrayBlockingQueue(1000,true); |
訪問者的公平性是使用可重入鎖實現的，代碼如下：
| 1 | public?ArrayBlockingQueue(int?capacity,?boolean?fair) { |
| 2 | ????????if?(capacity <=?0) |
| 3 | ????????????throw?new?IllegalArgumentException(); |
| 4 | ????????this.items =?new?Object[capacity]; |
| 5 | ????????lock =?new?ReentrantLock(fair); |
| 6 | ????????notEmpty = lock.newCondition(); |
| 7 | ????????notFull =? lock.newCondition(); |
LinkedBlockingQueue
LinkedBlockingQueue是一個用鏈表實現的有界阻塞隊列。此隊列的默認和最大長度為Integer.MAX_VALUE。此隊列按照先進先出的原則對元素進行排序。
PriorityBlockingQueue
PriorityBlockingQueue是一個支持優先級的無界隊列。默認情況下元素采取自然順序排列，也可以通過比較器comparator來指定元素的排序規則。元素按照升序排列。
DelayQueue
DelayQueue是一個支持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接口，在創建元素時可以指定多久才能從隊列中獲取當前元素。只有在延遲期滿時才能從隊列中提取元素。我們可以將DelayQueue運用在以下應用場景：
- 緩存系統的設計：可以用DelayQueue保存緩存元素的有效期，使用一個線程循環查詢DelayQueue，一旦能從DelayQueue中獲取元素時，表示緩存有效期到了。
- 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，從比如TimerQueue就是使用DelayQueue實現的。
隊列中的Delayed必須實現compareTo來指定元素的順序。比如讓延時時間最長的放在隊列的末尾。實現代碼如下：
| 01 | public?int?compareTo(Delayed other) { |
| 02 | ???????????if?(other ==?this)?// compare zero ONLY if same object |
| 03 | ????????????????return?0; |
| 04 | ????????????if?(other?instanceof?ScheduledFutureTask) { |
| 05 | ????????????????ScheduledFutureTask x = (ScheduledFutureTask)other; |
| 06 | ????????????????long?diff = time - x.time; |
| 07 | ????????????????if?(diff <?0) |
| 08 | ????????????????????return?-1; |
| 09 | ????????????????else?if?(diff >?0) |
| 10 | ????????????????????return?1; |
| 11 | ???????else?if?(sequenceNumber < x.sequenceNumber) |
| 12 | ????????????????????return?-1; |
| 14 | ????????????????????return?1; |
| 16 | ????????????long?d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) - |
| 17 | ??????????????????????other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)); |
| 18 | ????????????return?(d ==?0) ??0?: ((d <?0) ? -1?:?1); |
如何實現Delayed接口
我們可以參考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask類。這個類實現了Delayed接口。首先：在對象創建的時候，使用time記錄前對象什么時候可以使用，代碼如下：
| 1 | ScheduledFutureTask(Runnable r, V result,?long?ns,?long?period) { |
| 2 | ????????????super(r, result); |
| 3 | ????????????this.time = ns; |
| 4 | ????????????this.period = period; |
| 5 | ????????????this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement(); |
然后使用getDelay可以查詢當前元素還需要延時多久，代碼如下：
public long getDelay(TimeUnit unit) {return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);}
通過構造函數可以看出延遲時間參數ns的單位是納秒，自己設計的時候最好使用納秒，因為getDelay時可以指定任意單位，一旦以納秒作為單位，而延時的時間又精確不到納秒就麻煩了。使用時請注意當time小于當前時間時，getDelay會返回負數。
如何實現延時隊列
延時隊列的實現很簡單，當消費者從隊列里獲取元素時，如果元素沒有達到延時時間，就阻塞當前線程。
| 1 | long?delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS); |
| 2 | ????????????????????if?(delay <=?0) |
| 3 | ????????????????????????return?q.poll(); |
| 4 | ????????????????????else?if?(leader !=?null) |
| 5 | ????????????????????????available.await(); |
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，否則不能繼續添加元素。SynchronousQueue可以看成是一個傳球手，負責把生產者線程處理的數據直接傳遞給消費者線程。隊列本身并不存儲任何元素，非常適合于傳遞性場景,比如在一個線程中使用的數據，傳遞給另外一個線程使用，SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。
LinkedTransferQueue
LinkedTransferQueue是一個由鏈表結構組成的無界阻塞TransferQueue隊列。相對于其他阻塞隊列LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。
transfer方法。如果當前有消費者正在等待接收元素（消費者使用take()方法或帶時間限制的poll()方法時），transfer方法可以把生產者傳入的元素立刻transfer（傳輸）給消費者。如果沒有消費者在等待接收元素，transfer方法會將元素存放在隊列的tail節點，并等到該元素被消費者消費了才返回。transfer方法的關鍵代碼如下：
| 1 | Node pred = tryAppend(s, haveData); |
| 2 | return?awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos); |
第一行代碼是試圖把存放當前元素的s節點作為tail節點。第二行代碼是讓CPU自旋等待消費者消費元素。因為自旋會消耗CPU，所以自旋一定的次數后使用Thread.yield()方法來暫停當前正在執行的線程，并執行其他線程。
tryTransfer方法。則是用來試探下生產者傳入的元素是否能直接傳給消費者。如果沒有消費者等待接收元素，則返回false。和transfer方法的區別是tryTransfer方法無論消費者是否接收，方法立即返回。而transfer方法是必須等到消費者消費了才返回。
對于帶有時間限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法，則是試圖把生產者傳入的元素直接傳給消費者，但是如果沒有消費者消費該元素則等待指定的時間再返回，如果超時還沒消費元素，則返回false，如果在超時時間內消費了元素，則返回true。
LinkedBlockingDeque
LinkedBlockingDeque是一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。所謂雙向隊列指的你可以從隊列的兩端插入和移出元素。雙端隊列因為多了一個操作隊列的入口，在多線程同時入隊時，也就減少了一半的競爭。相比其他的阻塞隊列，LinkedBlockingDeque多了addFirst，addLast，offerFirst，offerLast，peekFirst，peekLast等方法，以First單詞結尾的方法，表示插入，獲取（peek）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后一個元素。另外插入方法add等同于addLast，移除方法remove等效于removeFirst。但是take方法卻等同于takeFirst，不知道是不是Jdk的bug，使用時還是用帶有First和Last后綴的方法更清楚。在初始化LinkedBlockingDeque時可以初始化隊列的容量，用來防止其再擴容時過渡膨脹。另外雙向阻塞隊列可以運用在“工作竊取”模式中。
3. 阻塞隊列的實現原理
如果隊列是空的，消費者會一直等待，當生產者添加元素時候，消費者是如何知道當前隊列有元素的呢？如果讓你來設計阻塞隊列你會如何設計，讓生產者和消費者能夠高效率的進行通訊呢？讓我們先來看看JDK是如何實現的。
使用通知模式實現。所謂通知模式，就是當生產者往滿的隊列里添加元素時會阻塞住生產者，當消費者消費了一個隊列中的元素后，會通知生產者當前隊列可用。通過查看JDK源碼發現ArrayBlockingQueue使用了Condition來實現，代碼如下：
| 01 | private?final?Condition notFull; |
| 02 | private?final?Condition notEmpty; |
| 04 | public?ArrayBlockingQueue(int?capacity,?boolean?fair) { |
| 06 | ????????notEmpty = lock.newCondition(); |
| 07 | ????????notFull =? lock.newCondition(); |
| 10 | public?void?put(E e)?throws?InterruptedException { |
| 11 | ????????checkNotNull(e); |
| 12 | ????????final?ReentrantLock lock =?this.lock; |
| 13 | ????????lock.lockInterruptibly(); |
| 15 | ????????????while?(count == items.length) |
| 16 | ????????????????notFull.await(); |
| 19 | ????????????lock.unlock(); |
| 23 | public?E take()?throws?InterruptedException { |
| 24 | ????????final?ReentrantLock lock =?this.lock; |
| 25 | ????????lock.lockInterruptibly(); |
| 27 | ????????????while?(count ==?0) |
| 28 | ????????????????notEmpty.await(); |
| 29 | ????????????return?extract(); |
| 31 | ????????????lock.unlock(); |
| 35 | private?void?insert(E x) { |
| 36 | ????????items[putIndex] = x; |
| 37 | ????????putIndex = inc(putIndex); |
| 39 | ????????notEmpty.signal(); |
當我們往隊列里插入一個元素時，如果隊列不可用，阻塞生產者主要通過LockSupport.park(this);來實現
| 01 | public?final?void?await()?throws?InterruptedException { |
| 02 | ????????????if?(Thread.interrupted()) |
| 03 | ????????????????throw?new?InterruptedException(); |
| 04 | ????????????Node node = addConditionWaiter(); |
| 05 | ????????????int?savedState = fullyRelease(node); |
| 06 | ????????????int?interruptMode =?0; |
| 07 | ????????????while?(!isOnSyncQueue(node)) { |
| 08 | ????????????????LockSupport.park(this); |
| 09 | ????????????????if?((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) !=?0) |
| 10 | ????????????????????break; |
| 12 | ????????????if?(acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) |
| 13 | ????????????????interruptMode = REINTERRUPT; |
| 14 | ????????????if?(node.nextWaiter !=?null)?// clean up if cancelled |
| 15 | ????????????????unlinkCancelledWaiters(); |
| 16 | ????????????if?(interruptMode !=?0) |
| 18 | reportInterruptAfterWait(interruptMode); |
繼續進入源碼，發現調用setBlocker先保存下將要阻塞的線程，然后調用unsafe.park阻塞當前線程。
| 1 | public?static?void?park(Object blocker) { |
| 2 | ????????Thread t = Thread.currentThread(); |
| 3 | ????????setBlocker(t, blocker); |
| 4 | ????????unsafe.park(false, 0L); |
| 5 | ????????setBlocker(t,?null); |
unsafe.park是個native方法，代碼如下：
| 1 | public?native?void?park(boolean?isAbsolute,?long?time); |
park這個方法會阻塞當前線程，只有以下四種情況中的一種發生時，該方法才會返回。
- 與park對應的unpark執行或已經執行時。注意：已經執行是指unpark先執行，然后再執行的park。
- 線程被中斷時。
- 如果參數中的time不是零，等待了指定的毫秒數時。
- 發生異?，F象時。這些異常事先無法確定。
我們繼續看一下JVM是如何實現park方法的，park在不同的操作系統使用不同的方式實現，在linux下是使用的是系統方法pthread_cond_wait實現。實現代碼在JVM源碼路徑src/os/linux/vm/os_linux.cpp里的 os::PlatformEvent::park方法，代碼如下：
| 01 | void?os::PlatformEvent::park() { |
| 05 | ?????????if?(Atomic::cmpxchg (v-1, &_Event, v) == v)?break?; |
| 07 | ?????????guarantee (v >= 0,?"invariant") ; |
| 09 | ?????????// Do this the hard way by blocking ... |
| 10 | ?????????int?status = pthread_mutex_lock(_mutex); |
| 11 | ?????????assert_status(status == 0, status,?"mutex_lock"); |
| 12 | ?????????guarantee (_nParked == 0,?"invariant") ; |
| 14 | ?????????while?(_Event < 0) { |
| 15 | ?????????status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex); |
| 16 | ?????????// for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ... |
| 17 | ?????????// Treat this the same as if the wait was interrupted |
| 18 | ?????????if?(status == ETIME) { status = EINTR; } |
| 19 | ?????????assert_status(status == 0 || status == EINTR, status,?"cond_wait"); |
| 23 | ?????????// In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(), |
| 24 | ?????????// but then we'd need a MEMBAR after the ST. |
| 26 | ?????????status = pthread_mutex_unlock(_mutex); |
| 27 | ?????????assert_status(status == 0, status,?"mutex_unlock"); |
| 29 | ?????????guarantee (_Event >= 0,?"invariant") ; |
pthread_cond_wait是一個多線程的條件變量函數，cond是condition的縮寫，字面意思可以理解為線程在等待一個條件發生，這個條件是一個全局變量。這個方法接收兩個參數，一個共享變量_cond，一個互斥量_mutex。而unpark方法在linux下是使用pthread_cond_signal實現的。park 在windows下則是使用WaitForSingleObject實現的。
當隊列滿時，生產者往阻塞隊列里插入一個元素，生產者線程會進入WAITING (parking)狀態。我們可以使用jstack dump阻塞的生產者線程看到這點：
| 1 | "main" prio=5 tid=0x00007fc83c000000 nid=0x10164e000 waiting on condition [0x000000010164d000] |
| 2 | ???java.lang.Thread.State: WAITING (parking) |
| 3 | ????????at sun.misc.Unsafe.park(Native Method) |
| 4 | ????????- parking to wait for? <0x0000000140559fe8> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject) |
| 5 | ????????at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186) |
| 6 | ????????at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2043) |
| 7 | ????????at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.put(ArrayBlockingQueue.java:324) |
| 8 | ????????at blockingqueue.ArrayBlockingQueueTest.main(ArrayBlockingQueueTest.java:11) |
轉載于:https://www.cnblogs.com/xunianchong/p/7509040.html
總結
以上是生活随笔為你收集整理的聊聊并发（七）——Java中的阻塞队列的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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