1. 什么是阻塞隊(duì)列？

阻塞隊(duì)列（BlockingQueue）是一個(gè)支持兩個(gè)附加操作的隊(duì)列。

這兩個(gè)附加的操作是：

• 在隊(duì)列為空時(shí)，獲取元素的線程會(huì)等待隊(duì)列變?yōu)榉强铡?/li>
• 當(dāng)隊(duì)列滿時(shí)，存儲(chǔ)元素的線程會(huì)等待隊(duì)列可用。

阻塞隊(duì)列常用于生產(chǎn)者和消費(fèi)者的場(chǎng)景，生產(chǎn)者是往隊(duì)列里添加元素的線程，消費(fèi)者是從隊(duì)列里拿元素的線程。

阻塞隊(duì)列就是生產(chǎn)者存放元素的容器，而消費(fèi)者也只從容器里拿元素。

阻塞隊(duì)列提供了處理方法:

• 返回特殊值：插入方法會(huì)返回是否成功，成功則返回 true。移除方法，則是從隊(duì)列里拿出一個(gè)元素，如果沒(méi)有則返回 null
• 一直阻塞：當(dāng)阻塞隊(duì)列滿時(shí)，如果生產(chǎn)者線程往隊(duì)列里 put 元素，隊(duì)列會(huì)一直阻塞生產(chǎn)者線程，直到拿到數(shù)據(jù)，或者響應(yīng)中斷退出。當(dāng)隊(duì)列空時(shí)，消費(fèi)者線程試圖從隊(duì)列里 take 元素，隊(duì)列也會(huì)阻塞消費(fèi)者線程，直到隊(duì)列可用。
• 超時(shí)退出：當(dāng)阻塞隊(duì)列滿時(shí)，隊(duì)列會(huì)阻塞生產(chǎn)者線程一段時(shí)間，如果超過(guò)一定的時(shí)間，生產(chǎn)者線程就會(huì)退出。

2. Java 里的阻塞隊(duì)列

JDK7 提供了 7 個(gè)阻塞隊(duì)列。分別是

• ArrayBlockingQueue ：一個(gè)由數(shù)組結(jié)構(gòu)組成的有界阻塞隊(duì)列。
• LinkedBlockingQueue ：一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的有界阻塞隊(duì)列。
• PriorityBlockingQueue ：一個(gè)支持優(yōu)先級(jí)排序的無(wú)界阻塞隊(duì)列。
• DelayQueue：一個(gè)使用優(yōu)先級(jí)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的無(wú)界阻塞隊(duì)列。
• SynchronousQueue：一個(gè)不存儲(chǔ)元素的阻塞隊(duì)列。
• LinkedTransferQueue：一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的無(wú)界阻塞隊(duì)列。
• LinkedBlockingDeque：一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的雙向阻塞隊(duì)列。

ArrayBlockingQueue 是一個(gè)用數(shù)組實(shí)現(xiàn)的有界阻塞隊(duì)列。此隊(duì)列按照先進(jìn)先出（FIFO）的原則對(duì)元素進(jìn)行排序。默認(rèn)情況下不保證訪問(wèn)者公平的訪問(wèn)隊(duì)列，所謂公平訪問(wèn)隊(duì)列是指阻塞的所有生產(chǎn)者線程或消費(fèi)者線程，當(dāng)隊(duì)列可用時(shí)，可以按照阻塞的先后順序訪問(wèn)隊(duì)列，即先阻塞的生產(chǎn)者線程，可以先往隊(duì)列里插入元素，先阻塞的消費(fèi)者線程，可以先從隊(duì)列里獲取元素。通常情況下為了保證公平性會(huì)降低吞吐量。我們可以使用以下代碼創(chuàng)建一個(gè)公平的阻塞隊(duì)列：

ArrayBlockingQueue fairQueue = new  ArrayBlockingQueue(1000,true);

訪問(wèn)者的公平性是使用可重入鎖實(shí)現(xiàn)的，代碼如下：

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
       if (capacity <= 0)
           throw new IllegalArgumentException();
       this.items = new Object[capacity];
       lock = new ReentrantLock(fair);
       notEmpty = lock.newCondition();
       notFull =  lock.newCondition();
}

LinkedBlockingQueue 是一個(gè)用鏈表實(shí)現(xiàn)的有界阻塞隊(duì)列。此隊(duì)列的默認(rèn)和最大長(zhǎng)度為 Integer.MAX_VALUE。此隊(duì)列按照先進(jìn)先出的原則對(duì)元素進(jìn)行排序。

PriorityBlockingQueue 是一個(gè)支持優(yōu)先級(jí)的無(wú)界隊(duì)列。默認(rèn)情況下元素采取自然順序排列，也可以通過(guò)比較器 comparator 來(lái)指定元素的排序規(guī)則。元素按照升序排列。

DelayQueue 是一個(gè)支持延時(shí)獲取元素的無(wú)界阻塞隊(duì)列。隊(duì)列使用 PriorityQueue 來(lái)實(shí)現(xiàn)。隊(duì)列中的元素必須實(shí)現(xiàn) Delayed 接口，在創(chuàng)建元素時(shí)可以指定多久才能從隊(duì)列中獲取當(dāng)前元素。只有在延遲期滿時(shí)才能從隊(duì)列中提取元素。我們可以將 DelayQueue 運(yùn)用在以下應(yīng)用場(chǎng)景：

• 緩存系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：可以用 DelayQueue 保存緩存元素的有效期，使用一個(gè)線程循環(huán)查詢 DelayQueue，一旦能從 DelayQueue 中獲取元素時(shí)，表示緩存有效期到了。
• 定時(shí)任務(wù)調(diào)度。使用 DelayQueue 保存當(dāng)天將會(huì)執(zhí)行的任務(wù)和執(zhí)行時(shí)間，一旦從 DelayQueue 中獲取到任務(wù)就開(kāi)始執(zhí)行，從比如 TimerQueue 就是使用 DelayQueue 實(shí)現(xiàn)的。

隊(duì)列中的 Delayed 必須實(shí)現(xiàn) compareTo 來(lái)指定元素的順序。比如讓延時(shí)時(shí)間最長(zhǎng)的放在隊(duì)列的末尾。實(shí)現(xiàn)代碼如下：

public int compareTo(Delayed other) {
          if (other == this) // compare zero ONLY if same object
               return 0;
           if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
               ScheduledFutureTask x = (ScheduledFutureTask)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 d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -
                     other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
           return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
       }

如何實(shí)現(xiàn) Delayed 接口

我們可以參考 ScheduledThreadPoolExecutor 里 ScheduledFutureTask 類。

這個(gè)類實(shí)現(xiàn)了 Delayed 接口。

首先：在對(duì)象創(chuàng)建的時(shí)候，使用 time 記錄前對(duì)象什么時(shí)候可以使用，代碼如下：

ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
           super(r, result);
           this.time = ns;
           this.period = period;
           this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}

然后使用 getDelay 可以查詢當(dāng)前元素還需要延時(shí)多久，代碼如下：

public long getDelay(TimeUnit unit) {
           return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
       }

通過(guò)構(gòu)造函數(shù)可以看出延遲時(shí)間參數(shù) ns 的單位是納秒，自己設(shè)計(jì)的時(shí)候最好使用納秒，因?yàn)?getDelay 時(shí)可以指定任意單位，一旦以納秒作為單位，而延時(shí)的時(shí)間又精確不到納秒就麻煩了。使用時(shí)請(qǐng)注意當(dāng) time 小于當(dāng)前時(shí)間時(shí)，getDelay 會(huì)返回負(fù)數(shù)。

如何實(shí)現(xiàn)延時(shí)隊(duì)列

延時(shí)隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，當(dāng)消費(fèi)者從隊(duì)列里獲取元素時(shí)，如果元素沒(méi)有達(dá)到延時(shí)時(shí)間，就阻塞當(dāng)前線程。

long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
                   if (delay <= 0)
                       return q.poll();
                   else if (leader != null)
                       available.await();

SynchronousQueue 是一個(gè)不存儲(chǔ)元素的阻塞隊(duì)列。每一個(gè) put 操作必須等待一個(gè) take 操作，否則不能繼續(xù)添加元素。SynchronousQueue 可以看成是一個(gè)傳球手，負(fù)責(zé)把生產(chǎn)者線程處理的數(shù)據(jù)直接傳遞給消費(fèi)者線程。隊(duì)列本身并不存儲(chǔ)任何元素，非常適合于傳遞性場(chǎng)景, 比如在一個(gè)線程中使用的數(shù)據(jù)，傳遞給另外一個(gè)線程使用，SynchronousQueue 的吞吐量高于 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

LinkedTransferQueue 是一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的無(wú)界阻塞 TransferQueue 隊(duì)列。相對(duì)于其他阻塞隊(duì)列，LinkedTransferQueue 多了 tryTransfer 和 transfer 方法。

transfer 方法。如果當(dāng)前有消費(fèi)者正在等待接收元素（消費(fèi)者使用 take() 方法或帶時(shí)間限制的 poll() 方法時(shí)），transfer 方法可以把生產(chǎn)者傳入的元素立刻 transfer（傳輸）給消費(fèi)者。如果沒(méi)有消費(fèi)者在等待接收元素，transfer 方法會(huì)將元素存放在隊(duì)列的 tail 節(jié)點(diǎn)，并等到該元素被消費(fèi)者消費(fèi)了才返回。transfer 方法的關(guān)鍵代碼如下：

Node pred = tryAppend(s, haveData);
return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);

第一行代碼是試圖把存放當(dāng)前元素的 s 節(jié)點(diǎn)作為 tail 節(jié)點(diǎn)。第二行代碼是讓 CPU 自旋等待消費(fèi)者消費(fèi)元素。因?yàn)樽孕龝?huì)消耗 CPU，所以自旋一定的次數(shù)后使用 Thread.yield() 方法來(lái)暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的線程，并執(zhí)行其他線程。

tryTransfer 方法。則是用來(lái)試探下生產(chǎn)者傳入的元素是否能直接傳給消費(fèi)者。如果沒(méi)有消費(fèi)者等待接收元素，則返回 false。和 transfer 方法的區(qū)別是 tryTransfer 方法無(wú)論消費(fèi)者是否接收，方法立即返回。而 transfer 方法是必須等到消費(fèi)者消費(fèi)了才返回。

對(duì)于帶有時(shí)間限制的 tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit) 方法，則是試圖把生產(chǎn)者傳入的元素直接傳給消費(fèi)者，但是如果沒(méi)有消費(fèi)者消費(fèi)該元素則等待指定的時(shí)間再返回，如果超時(shí)還沒(méi)消費(fèi)元素，則返回 false，如果在超時(shí)時(shí)間內(nèi)消費(fèi)了元素，則返回 true。

LinkedBlockingDeque 是一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的雙向阻塞隊(duì)列。所謂雙向隊(duì)列指的你可以從隊(duì)列的兩端插入和移出元素。雙端隊(duì)列因?yàn)槎嗔艘粋€(gè)操作隊(duì)列的入口，在多線程同時(shí)入隊(duì)時(shí)，也就減少了一半的競(jìng)爭(zhēng)。相比其他的阻塞隊(duì)列，LinkedBlockingDeque 多了 addFirst，addLast，offerFirst，offerLast，peekFirst，peekLast 等方法，以 First 單詞結(jié)尾的方法，表示插入，獲?。╬eek）或移除雙端隊(duì)列的第一個(gè)元素。以 Last 單詞結(jié)尾的方法，表示插入，獲取或移除雙端隊(duì)列的最后一個(gè)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(shí)還是用帶有 First 和 Last 后綴的方法更清楚。

在初始化 LinkedBlockingDeque 時(shí)可以設(shè)置容量防止其過(guò)渡膨脹。另外雙向阻塞隊(duì)列可以運(yùn)用在“工作竊取”模式中。

3. 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(guò)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(guò) 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(xiě)，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)

到此這篇關(guān)于Java并發(fā)編程中的阻塞隊(duì)列解析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java阻塞隊(duì)列內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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