Java并發(fā)編程之阻塞隊(duì)列詳解
1、什么是阻塞隊(duì)列？
隊(duì)列是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它有兩個(gè)基本操作：在隊(duì)列尾部加入一個(gè)元素，從隊(duì)列頭部移除一個(gè)元素。阻塞隊(duì)里與普通的隊(duì)列的區(qū)別在于，普通隊(duì)列不會(huì)對(duì)當(dāng)前線(xiàn)程產(chǎn)生阻塞，在面對(duì)類(lèi)似消費(fèi)者-生產(chǎn)者模型時(shí)，就必須額外的實(shí)現(xiàn)同步策略以及線(xiàn)程間喚醒策略。使用阻塞隊(duì)列，就會(huì)對(duì)當(dāng)前線(xiàn)程產(chǎn)生阻塞，當(dāng)隊(duì)列是空時(shí)，從隊(duì)列中獲取元素的操作將會(huì)被阻塞，當(dāng)隊(duì)列是滿(mǎn)時(shí)，往隊(duì)列里添加元素的操作也會(huì)被阻塞。
2、主要的阻塞隊(duì)列及其方法
java.util.concurrent包下提供主要的幾種阻塞隊(duì)列，主要有以下幾個(gè)：
1）ArrayBlockingQueue:基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)的阻塞隊(duì)列，在創(chuàng)建ArrayBlockingQueue對(duì)象時(shí)必須指定其容量大小，還可以指定訪問(wèn)策略，默認(rèn)情況下為非公平的，即不保證等待時(shí)間最長(zhǎng)的線(xiàn)程最優(yōu)先能夠訪問(wèn)隊(duì)列。
2）、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。
3）、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(méi)有上限（通過(guò)源碼就可以知道，它沒(méi)有容器滿(mǎn)的信號(hào)標(biāo)志），前面2種都是有界隊(duì)列。
4）、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。
阻塞隊(duì)列包括了非阻塞隊(duì)列中的大部分方法，還提供另外若干非常有用的方法：
put方法用來(lái)向隊(duì)尾存入元素，如果隊(duì)列滿(mǎn)，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(mǎn)，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(méi)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；
下面看一段代碼：
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
/**
* @author 作者：徐劍 E-mail:anxu_2013@163.com
* @version 創(chuàng)建時(shí)間：2016年3月20日 下午12:52:53
* 類(lèi)說(shuō)明
*/
public class BlockingQueue
{
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
java.util.concurrent.BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(5);
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
// 將指定元素添加到此隊(duì)列中
blockingQueue.put("加入元素" + i);
System.out.println("向阻塞隊(duì)列中添加了元素:" + i);
}
System.out.println("程序到此運(yùn)行結(jié)束，即將退出----");
}
}
當(dāng)限制阻塞隊(duì)列數(shù)量為5時(shí)，添加了5個(gè)元素之后，繼續(xù)添加將會(huì)隊(duì)列外阻塞等待，此時(shí)程序并未終止。
當(dāng)隊(duì)列滿(mǎn)了之后，我們將隊(duì)首元素移除，則可以繼續(xù)向阻塞隊(duì)列中添加元素，代碼如下：
public class BlockingQueue
{
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
java.util.concurrent.BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(5);
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
// 將指定元素添加到此隊(duì)列中
blockingQueue.put("加入元素" + i);
System.out.println("向阻塞隊(duì)列中添加了元素:" + i);
if(i>=4)
System.out.println("移除隊(duì)首元素"+blockingQueue.take());
}
System.out.println("程序到此運(yùn)行結(jié)束，即將退出----");
}
執(zhí)行結(jié)果如下：
3、阻塞隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)原理
下面主要看一下ArrayBlockingQueue的實(shí)現(xiàn)原理。
首先看一下ArrayBlockingQueue類(lèi)的成員變量：
public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
/** 底層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)-數(shù)組 */
final Object[] items;
/** 隊(duì)首元素下標(biāo) */
int takeIndex;
/** 隊(duì)尾元素下標(biāo) */
int putIndex;
/**隊(duì)列元素總數(shù) */
int count;
/** 重入鎖 */
final ReentrantLock lock;
/** notEmpty等待條件 */
private final Condition notEmpty;
/** notFull等待條件 */
private final Condition notFull;
/**
* Shared state for currently active iterators, or null if there
* are known not to be any. Allows queue operations to update
* iterator state.
*/
transient Itrs itrs = null;
可以看到，ArrayBlockingQueue用來(lái)存儲(chǔ)元素的實(shí)際上是一個(gè)數(shù)組。
再看下ArrayBlockingQueue兩個(gè)重要方法的實(shí)現(xiàn)，put()和take():
public void put(E e) throws InterruptedException
{
//先檢查e是否為空
checkNotNull(e);
//獲取鎖
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try
{
//當(dāng)隊(duì)列已滿(mǎn)，進(jìn)入條件等待
while (count == items.length)
notFull.await();
//隊(duì)列不滿(mǎn)，進(jìn)行入隊(duì)列操作
enqueue(e);
}
finally
{
//釋放鎖
lock.unlock();
}
}
再看下具體的入隊(duì)操作：
private void enqueue(E x)
{
final Object[] items = this.items;
//隊(duì)尾入隊(duì)
items[putIndex] = x;
if (++putIndex == items.length)
putIndex = 0;
//隊(duì)列總數(shù)+1
count++;
//notempty條件的等待集中隨機(jī)選擇一個(gè)線(xiàn)程，解除其阻塞狀態(tài)
notEmpty.signal();
}
下面是take()方法的源代碼：
public E take() throws InterruptedException
{
//獲取鎖
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try
{
//隊(duì)列為空
while (count == 0)
//線(xiàn)程加入notEmpty條件等待集
notEmpty.await();
//非空，出隊(duì)列
return dequeue();
} finally
{
//釋放鎖
lock.unlock();
}
}
4、阻塞隊(duì)列的應(yīng)用：實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者-生產(chǎn)者模式
/**
* @author 作者：徐劍 E-mail:anxu_2013@163.com
* @version 創(chuàng)建時(shí)間：2016年3月20日 下午2:21:55
* 類(lèi)說(shuō)明：阻塞隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的消費(fèi)者-生產(chǎn)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();
}
}
}
}
}
以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助。
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