剖析Java中阻塞隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)原理及應(yīng)用場(chǎng)景

更新時(shí)間：2015年12月07日 14:35:24 作者：海子

這篇文章主要介紹了剖析Java中阻塞隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)原理及應(yīng)用場(chǎng)景,這里也對(duì)阻塞和非阻塞隊(duì)列的不同之處進(jìn)行了對(duì)比,需要的朋友可以參考下

我們平時(shí)使用的一些常見隊(duì)列都是非阻塞隊(duì)列，比如PriorityQueue、LinkedList（LinkedList是雙向鏈表，它實(shí)現(xiàn)了Dequeue接口）。
使用非阻塞隊(duì)列的時(shí)候有一個(gè)很大問題就是：它不會(huì)對(duì)當(dāng)前線程產(chǎn)生阻塞，那么在面對(duì)類似消費(fèi)者-生產(chǎn)者的模型時(shí)，就必須額外地實(shí)現(xiàn)同步策略以及線程間喚醒策略，這個(gè)實(shí)現(xiàn)起來(lái)就非常麻煩。但是有了阻塞隊(duì)列就不一樣了，它會(huì)對(duì)當(dāng)前線程產(chǎn)生阻塞，比如一個(gè)線程從一個(gè)空的阻塞隊(duì)列中取元素，此時(shí)線程會(huì)被阻塞直到阻塞隊(duì)列中有了元素。當(dāng)隊(duì)列中有元素后，被阻塞的線程會(huì)自動(dòng)被喚醒（不需要我們編寫代碼去喚醒）。這樣提供了極大的方便性。
一.幾種主要的阻塞隊(duì)列

　　自從Java 1.5之后，在java.util.concurrent包下提供了若干個(gè)阻塞隊(duì)列，主要有以下幾個(gè)：

　　ArrayBlockingQueue：基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)的一個(gè)阻塞隊(duì)列，在創(chuàng)建ArrayBlockingQueue對(duì)象時(shí)必須制定容量大小。并且可以指定公平性與非公平性，默認(rèn)情況下為非公平的，即不保證等待時(shí)間最長(zhǎng)的隊(duì)列最優(yōu)先能夠訪問隊(duì)列。

　　LinkedBlockingQueue：基于鏈表實(shí)現(xiàn)的一個(gè)阻塞隊(duì)列，在創(chuàng)建LinkedBlockingQueue對(duì)象時(shí)如果不指定容量大小，則默認(rèn)大小為Integer.MAX_VALUE。

　　PriorityBlockingQueue：以上2種隊(duì)列都是先進(jìn)先出隊(duì)列，而PriorityBlockingQueue卻不是，它會(huì)按照元素的優(yōu)先級(jí)對(duì)元素進(jìn)行排序，按照優(yōu)先級(jí)順序出隊(duì)，每次出隊(duì)的元素都是優(yōu)先級(jí)最高的元素。注意，此阻塞隊(duì)列為無(wú)界阻塞隊(duì)列，即容量沒有上限（通過源碼就可以知道，它沒有容器滿的信號(hào)標(biāo)志），前面2種都是有界隊(duì)列。

　　DelayQueue：基于PriorityQueue，一種延時(shí)阻塞隊(duì)列，DelayQueue中的元素只有當(dāng)其指定的延遲時(shí)間到了，才能夠從隊(duì)列中獲取到該元素。DelayQueue也是一個(gè)無(wú)界隊(duì)列，因此往隊(duì)列中插入數(shù)據(jù)的操作（生產(chǎn)者）永遠(yuǎn)不會(huì)被阻塞，而只有獲取數(shù)據(jù)的操作（消費(fèi)者）才會(huì)被阻塞。

二.阻塞隊(duì)列中的方法 VS 非阻塞隊(duì)列中的方法

1.非阻塞隊(duì)列中的幾個(gè)主要方法：

　　add(E e):將元素e插入到隊(duì)列末尾，如果插入成功，則返回true；如果插入失?。搓?duì)列已滿），則會(huì)拋出異常；
　　remove()：移除隊(duì)首元素，若移除成功，則返回true；如果移除失?。?duì)列為空），則會(huì)拋出異常；
　　offer(E e)：將元素e插入到隊(duì)列末尾，如果插入成功，則返回true；如果插入失?。搓?duì)列已滿），則返回false；
　　poll()：移除并獲取隊(duì)首元素，若成功，則返回隊(duì)首元素；否則返回null；
　　peek()：獲取隊(duì)首元素，若成功，則返回隊(duì)首元素；否則返回null

　　對(duì)于非阻塞隊(duì)列，一般情況下建議使用offer、poll和peek三個(gè)方法，不建議使用add和remove方法。因?yàn)槭褂胦ffer、poll和peek三個(gè)方法可以通過返回值判斷操作成功與否，而使用add和remove方法卻不能達(dá)到這樣的效果。注意，非阻塞隊(duì)列中的方法都沒有進(jìn)行同步措施。

2.阻塞隊(duì)列中的幾個(gè)主要方法：

　　阻塞隊(duì)列包括了非阻塞隊(duì)列中的大部分方法，上面列舉的5個(gè)方法在阻塞隊(duì)列中都存在，但是要注意這5個(gè)方法在阻塞隊(duì)列中都進(jìn)行了同步措施。除此之外，阻塞隊(duì)列提供了另外4個(gè)非常有用的方法：

　　put(E e)
　　take()
　　offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)
　　poll(long timeout, TimeUnit unit)

　　put方法用來(lái)向隊(duì)尾存入元素，如果隊(duì)列滿，則等待；
　　take方法用來(lái)從隊(duì)首取元素，如果隊(duì)列為空，則等待；
　　offer方法用來(lái)向隊(duì)尾存入元素，如果隊(duì)列滿，則等待一定的時(shí)間，當(dāng)時(shí)間期限達(dá)到時(shí)，如果還沒有插入成功，則返回false；否則返回true；
　　poll方法用來(lái)從隊(duì)首取元素，如果隊(duì)列空，則等待一定的時(shí)間，當(dāng)時(shí)間期限達(dá)到時(shí)，如果取到，則返回null；否則返回取得的元素；

三.阻塞隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)原理

如果隊(duì)列是空的，消費(fèi)者會(huì)一直等待，當(dāng)生產(chǎn)者添加元素時(shí)候，消費(fèi)者是如何知道當(dāng)前隊(duì)列有元素的呢？如果讓你來(lái)設(shè)計(jì)阻塞隊(duì)列你會(huì)如何設(shè)計(jì)，讓生產(chǎn)者和消費(fèi)者能夠高效率的進(jìn)行通訊呢？讓我們先來(lái)看看JDK是如何實(shí)現(xiàn)的。

使用通知模式實(shí)現(xiàn)。所謂通知模式，就是當(dāng)生產(chǎn)者往滿的隊(duì)列里添加元素時(shí)會(huì)阻塞住生產(chǎn)者，當(dāng)消費(fèi)者消費(fèi)了一個(gè)隊(duì)列中的元素后，會(huì)通知生產(chǎn)者當(dāng)前隊(duì)列可用。通過查看JDK源碼發(fā)現(xiàn)ArrayBlockingQueue使用了Condition來(lái)實(shí)現(xiàn)，代碼如下：

private final Condition notFull;
private final Condition notEmpty;

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
    //省略其他代碼
    notEmpty = lock.newCondition();
    notFull = lock.newCondition();
  }

public void put(E e) throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      while (count == items.length)
        notFull.await();
      insert(e);
    } finally {
      lock.unlock();
    }
}

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      while (count == 0)
        notEmpty.await();
      return extract();
 } finally {
      lock.unlock();
    }
}

private void insert(E x) {
    items[putIndex] = x;
    putIndex = inc(putIndex);
    ++count;
    notEmpty.signal();
  }

當(dāng)我們往隊(duì)列里插入一個(gè)元素時(shí)，如果隊(duì)列不可用，阻塞生產(chǎn)者主要通過LockSupport.park(this);來(lái)實(shí)現(xiàn)

public final void await() throws InterruptedException {
      if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
      Node node = addConditionWaiter();
      int savedState = fullyRelease(node);
      int interruptMode = 0;
      while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
          break;
      }
      if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
      if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
      if (interruptMode != 0)

reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }

繼續(xù)進(jìn)入源碼，發(fā)現(xiàn)調(diào)用setBlocker先保存下將要阻塞的線程，然后調(diào)用unsafe.park阻塞當(dāng)前線程。

public static void park(Object blocker) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    setBlocker(t, blocker);
    unsafe.park(false, 0L);
    setBlocker(t, null);
  }

unsafe.park是個(gè)native方法，代碼如下：

public native void park(boolean isAbsolute, long time);

park這個(gè)方法會(huì)阻塞當(dāng)前線程，只有以下四種情況中的一種發(fā)生時(shí)，該方法才會(huì)返回。

與park對(duì)應(yīng)的unpark執(zhí)行或已經(jīng)執(zhí)行時(shí)。注意：已經(jīng)執(zhí)行是指unpark先執(zhí)行，然后再執(zhí)行的park。
線程被中斷時(shí)。
如果參數(shù)中的time不是零，等待了指定的毫秒數(shù)時(shí)。
發(fā)生異?，F(xiàn)象時(shí)。這些異常事先無(wú)法確定。
我們繼續(xù)看一下JVM是如何實(shí)現(xiàn)park方法的，park在不同的操作系統(tǒng)使用不同的方式實(shí)現(xiàn)，在linux下是使用的是系統(tǒng)方法pthread_cond_wait實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)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：

void os::PlatformEvent::park() {   
      int v ;
   for (;;) {
 v = _Event ;
   if (Atomic::cmpxchg (v-1, &_Event, v) == v) break ;
   }
   guarantee (v >= 0, "invariant") ;
   if (v == 0) {
   // Do this the hard way by blocking ...
   int status = pthread_mutex_lock(_mutex);
   assert_status(status == 0, status, "mutex_lock");
   guarantee (_nParked == 0, "invariant") ;
   ++ _nParked ;
   while (_Event < 0) {
   status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);
   // for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ...
   // Treat this the same as if the wait was interrupted
   if (status == ETIME) { status = EINTR; }
   assert_status(status == 0 || status == EINTR, status, "cond_wait");
   }
   -- _nParked ;
   
   // In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(),
   // but then we'd need a MEMBAR after the ST.
   _Event = 0 ;
   status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
   assert_status(status == 0, status, "mutex_unlock");
   }
   guarantee (_Event >= 0, "invariant") ;
   }

   }

pthread_cond_wait是一個(gè)多線程的條件變量函數(shù)，cond是condition的縮寫，字面意思可以理解為線程在等待一個(gè)條件發(fā)生，這個(gè)條件是一個(gè)全局變量。這個(gè)方法接收兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)共享變量_cond，一個(gè)互斥量_mutex。而unpark方法在linux下是使用pthread_cond_signal實(shí)現(xiàn)的。park 在windows下則是使用WaitForSingleObject實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)隊(duì)列滿時(shí)，生產(chǎn)者往阻塞隊(duì)列里插入一個(gè)元素，生產(chǎn)者線程會(huì)進(jìn)入WAITING (parking)狀態(tài)。我們可以使用jstack dump阻塞的生產(chǎn)者線程看到這點(diǎn)：

"main" prio=5 tid=0x00007fc83c000000 nid=0x10164e000 waiting on condition [0x000000010164d000]
  java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
    at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
    - parking to wait for <0x0000000140559fe8> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject)
    at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186)
    at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2043)
    at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.put(ArrayBlockingQueue.java:324)
    at blockingqueue.ArrayBlockingQueueTest.main(ArrayBlockingQueueTest.java:11)

四.示例和使用場(chǎng)景

　　下面先使用Object.wait()和Object.notify()、非阻塞隊(duì)列實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式：

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("隊(duì)列空，等待數(shù)據(jù)");
              queue.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
              queue.notify();
            }
          }
          queue.poll();     //每次移走隊(duì)首元素
          queue.notify();
          System.out.println("從隊(duì)列取走一個(gè)元素，隊(duì)列剩余"+queue.size()+"個(gè)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("隊(duì)列滿，等待有空余空間");
              queue.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
              queue.notify();
            }
          }
          queue.offer(1);    //每次插入一個(gè)元素
          queue.notify();
          System.out.println("向隊(duì)列取中插入一個(gè)元素，隊(duì)列剩余空間："+(queueSize-queue.size()));
        }
      }
    }
  }
}

　　這個(gè)是經(jīng)典的生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式，通過阻塞隊(duì)列和Object.wait()和Object.notify()實(shí)現(xiàn)，wait()和notify()主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)線程間通信。

　　具體的線程間通信方式（wait和notify的使用）在后續(xù)問章中會(huì)講述到。

　　下面是使用阻塞隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式：

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("從隊(duì)列取走一個(gè)元素，隊(duì)列剩余"+queue.size()+"個(gè)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("向隊(duì)列取中插入一個(gè)元素，隊(duì)列剩余空間："+(queueSize-queue.size()));
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }
  }
}

　　有沒有發(fā)現(xiàn)，使用阻塞隊(duì)列代碼要簡(jiǎn)單得多，不需要再單獨(dú)考慮同步和線程間通信的問題。

　　在并發(fā)編程中，一般推薦使用阻塞隊(duì)列，這樣實(shí)現(xiàn)可以盡量地避免程序出現(xiàn)意外的錯(cuò)誤。

　　阻塞隊(duì)列使用最經(jīng)典的場(chǎng)景就是socket客戶端數(shù)據(jù)的讀取和解析，讀取數(shù)據(jù)的線程不斷將數(shù)據(jù)放入隊(duì)列，然后解析線程不斷從隊(duì)列取數(shù)據(jù)解析。還有其他類似的場(chǎng)景，只要符合生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型的都可以使用阻塞隊(duì)列。

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