Java多線程工具篇BlockingQueue的詳解

前言：

在新增的Concurrent包中，BlockingQueue很好的解決了多線程中，如何高效安全“傳輸”數(shù)據(jù)的問(wèn)題。通過(guò)這些高效并且線程安全的隊(duì)列類，為我們快速搭建高質(zhì)量的多線程程序帶來(lái)極大的便利。本文詳細(xì)介紹了BlockingQueue家庭中的所有成員，包括他們各自的功能以及常見(jiàn)使用場(chǎng)景。

認(rèn)識(shí)BlockingQueue

阻塞隊(duì)列，顧名思義，首先它是一個(gè)隊(duì)列，而一個(gè)隊(duì)列在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中通過(guò)一個(gè)共享的隊(duì)列，可以使得數(shù)據(jù)由隊(duì)列的一端輸入，從另外一端輸出；

常用的隊(duì)列主要有以下兩種：（當(dāng)然通過(guò)不同的實(shí)現(xiàn)方式，還可以延伸出很多不同類型的隊(duì)列，DelayQueue就是其中的一種）

• 先進(jìn)先出（FIFO）：先插入的隊(duì)列的元素也最先出隊(duì)列，類似于排隊(duì)的功能。從某種程度上來(lái)說(shuō)這種隊(duì)列也體現(xiàn)了一種公平性。
• 后進(jìn)先出（LIFO）：后插入隊(duì)列的元素最先出隊(duì)列，這種隊(duì)列優(yōu)先處理最近發(fā)生的事件。

多線程環(huán)境中，通過(guò)隊(duì)列可以很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，比如經(jīng)典的“生產(chǎn)者”和“消費(fèi)者”模型中，通過(guò)隊(duì)列可以很便利地實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)共享。假設(shè)我們有若干生產(chǎn)者線程，另外又有若干個(gè)消費(fèi)者線程。如果生產(chǎn)者線程需要把準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)共享給消費(fèi)者線程，利用隊(duì)列的方式來(lái)傳遞數(shù)據(jù)，就可以很方便地解決他們之間的數(shù)據(jù)共享問(wèn)題。但如果生產(chǎn)者和消費(fèi)者在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)，萬(wàn)一發(fā)生數(shù)據(jù)處理速度不匹配的情況呢？理想情況下，如果生產(chǎn)者產(chǎn)出數(shù)據(jù)的速度大于消費(fèi)者消費(fèi)的速度，并且當(dāng)生產(chǎn)出來(lái)的數(shù)據(jù)累積到一定程度的時(shí)候，那么生產(chǎn)者必須暫停等待一下（阻塞生產(chǎn)者線程），以便等待消費(fèi)者線程把累積的數(shù)據(jù)處理完畢，反之亦然。然而，在concurrent包發(fā)布以前，在多線程環(huán)境下，我們每個(gè)程序員都必須去自己控制這些細(xì)節(jié)，尤其還要兼顧效率和線程安全，而這會(huì)給我們的程序帶來(lái)不小的復(fù)雜度。好在此時(shí)，強(qiáng)大的concurrent包橫空出世了，而他也給我們帶來(lái)了強(qiáng)大的BlockingQueue。（在多線程領(lǐng)域：所謂阻塞，在某些情況下會(huì)掛起線程（即阻塞），一旦條件滿足，被掛起的線程又會(huì)自動(dòng)被喚醒）

BlockingQueue的兩個(gè)常見(jiàn)阻塞場(chǎng)景：

當(dāng)隊(duì)列中沒(méi)有數(shù)據(jù)的情況下，消費(fèi)者端的所有線程都會(huì)被自動(dòng)阻塞（掛起），直到有數(shù)據(jù)放入隊(duì)列。

當(dāng)隊(duì)列中填滿數(shù)據(jù)的情況下，生產(chǎn)者端的所有線程都會(huì)被自動(dòng)阻塞（掛起），直到隊(duì)列中有空的位置，線程被自動(dòng)喚醒。

這也是我們?cè)诙嗑€程環(huán)境下，為什么需要BlockingQueue的原因。作為BlockingQueue的使用者，我們?cè)僖膊恍枰P(guān)心什么時(shí)候需要阻塞線程，什么時(shí)候需要喚醒線程，因?yàn)檫@一切BlockingQueue都給你一手包辦了。既然BlockingQueue如此神通廣大，讓我們一起來(lái)見(jiàn)識(shí)下它的常用方法：

BlockingQueue的核心方法：

放入數(shù)據(jù)：

　　offer(anObject):表示如果可能的話,將anObject加到BlockingQueue里,即如果BlockingQueue可以容納,
　　　　則返回true,否則返回false.（本方法不阻塞當(dāng)前執(zhí)行方法的線程）
　　offer(E o, long timeout, TimeUnit unit),可以設(shè)定等待的時(shí)間，如果在指定的時(shí)間內(nèi)，還不能往隊(duì)列中
　　　　加入BlockingQueue，則返回失敗。
　　put(anObject):把a(bǔ)nObject加到BlockingQueue里,如果BlockQueue沒(méi)有空間,則調(diào)用此方法的線程被阻斷
　　　　直到BlockingQueue里面有空間再繼續(xù).

獲取數(shù)據(jù)：

　　poll(time):取走BlockingQueue里排在首位的對(duì)象,若不能立即取出,則可以等time參數(shù)規(guī)定的時(shí)間,
　　　　取不到時(shí)返回null;
　　poll(long timeout, TimeUnit unit)：從BlockingQueue取出一個(gè)隊(duì)首的對(duì)象，如果在指定時(shí)間內(nèi)，
　　　　隊(duì)列一旦有數(shù)據(jù)可取，則立即返回隊(duì)列中的數(shù)據(jù)。否則知道時(shí)間超時(shí)還沒(méi)有數(shù)據(jù)可取，返回失敗。
　　take():取走BlockingQueue里排在首位的對(duì)象,若BlockingQueue為空,阻斷進(jìn)入等待狀態(tài)直到
　　　　BlockingQueue有新的數(shù)據(jù)被加入; 
　　drainTo():一次性從BlockingQueue獲取所有可用的數(shù)據(jù)對(duì)象（還可以指定獲取數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)）， 
　　　　通過(guò)該方法，可以提升獲取數(shù)據(jù)效率；不需要多次分批加鎖或釋放鎖。

常見(jiàn)BlockingQueue

在了解了BlockingQueue的基本功能后，讓我們來(lái)看看BlockingQueue家庭大致有哪些成員？ 

BlockingQueue成員詳細(xì)介紹

1. ArrayBlockingQueue

基于數(shù)組的阻塞隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，在ArrayBlockingQueue內(nèi)部，維護(hù)了一個(gè)定長(zhǎng)數(shù)組，以便緩存隊(duì)列中的數(shù)據(jù)對(duì)象，這是一個(gè)常用的阻塞隊(duì)列，除了一個(gè)定長(zhǎng)數(shù)組外，ArrayBlockingQueue內(nèi)部還保存著兩個(gè)整形變量，分別標(biāo)識(shí)著隊(duì)列的頭部和尾部在數(shù)組中的位置。

ArrayBlockingQueue在生產(chǎn)者放入數(shù)據(jù)和消費(fèi)者獲取數(shù)據(jù)，都是共用同一個(gè)鎖對(duì)象，由此也意味著兩者無(wú)法真正并行運(yùn)行，這點(diǎn)尤其不同于LinkedBlockingQueue；按照實(shí)現(xiàn)原理來(lái)分析，ArrayBlockingQueue完全可以采用分離鎖，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者和消費(fèi)者操作的完全并行運(yùn)行。Doug Lea之所以沒(méi)這樣去做，也許是因?yàn)锳rrayBlockingQueue的數(shù)據(jù)寫(xiě)入和獲取操作已經(jīng)足夠輕巧，以至于引入獨(dú)立的鎖機(jī)制，除了給代碼帶來(lái)額外的復(fù)雜性外，其在性能上完全占不到任何便宜。 ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue間還有一個(gè)明顯的不同之處在于，前者在插入或刪除元素時(shí)不會(huì)產(chǎn)生或銷毀任何額外的對(duì)象實(shí)例，而后者則會(huì)生成一個(gè)額外的Node對(duì)象。這在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)需要高效并發(fā)地處理大批量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，其對(duì)于GC的影響還是存在一定的區(qū)別。而在創(chuàng)建ArrayBlockingQueue時(shí)，我們還可以控制對(duì)象的內(nèi)部鎖是否采用公平鎖，默認(rèn)采用非公平鎖。

2. LinkedBlockingQueue

基于鏈表的阻塞隊(duì)列，同ArrayListBlockingQueue類似，其內(nèi)部也維持著一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列（該隊(duì)列由一個(gè)鏈表構(gòu)成），當(dāng)生產(chǎn)者往隊(duì)列中放入一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，隊(duì)列會(huì)從生產(chǎn)者手中獲取數(shù)據(jù)，并緩存在隊(duì)列內(nèi)部，而生產(chǎn)者立即返回；只有當(dāng)隊(duì)列緩沖區(qū)達(dá)到最大值緩存容量時(shí)（LinkedBlockingQueue可以通過(guò)構(gòu)造函數(shù)指定該值），才會(huì)阻塞生產(chǎn)者隊(duì)列，直到消費(fèi)者從隊(duì)列中消費(fèi)掉一份數(shù)據(jù)，生產(chǎn)者線程會(huì)被喚醒，反之對(duì)于消費(fèi)者這端的處理也基于同樣的原理。而LinkedBlockingQueue之所以能夠高效的處理并發(fā)數(shù)據(jù)，還因?yàn)槠鋵?duì)于生產(chǎn)者端和消費(fèi)者端分別采用了獨(dú)立的鎖來(lái)控制數(shù)據(jù)同步，這也意味著在高并發(fā)的情況下生產(chǎn)者和消費(fèi)者可以并行地操作隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，以此來(lái)提高整個(gè)隊(duì)列的并發(fā)性能。

作為開(kāi)發(fā)者，我們需要注意的是，如果構(gòu)造一個(gè)LinkedBlockingQueue對(duì)象，而沒(méi)有指定其容量大小，LinkedBlockingQueue會(huì)默認(rèn)一個(gè)類似無(wú)限大小的容量（Integer.MAX_VALUE），這樣的話，如果生產(chǎn)者的速度一旦大于消費(fèi)者的速度，也許還沒(méi)有等到隊(duì)列滿阻塞產(chǎn)生，系統(tǒng)內(nèi)存就有可能已被消耗殆盡了。

ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue是兩個(gè)最普通也是最常用的阻塞隊(duì)列，一般情況下，在處理多線程間的生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題，使用這兩個(gè)類足以。

下面的代碼演示了如何使用BlockingQueue：

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
/**
 * @author jackyuj
 */
public class BlockingQueueTest {
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // 聲明一個(gè)容量為10的緩存隊(duì)列
    BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<String>(10);
    Producer producer1 = new Producer(queue);
    Producer producer2 = new Producer(queue);
    Producer producer3 = new Producer(queue);
    Consumer consumer = new Consumer(queue);
    // 借助Executors
    ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
    // 啟動(dòng)線程
    service.execute(producer1);
    service.execute(producer2);
    service.execute(producer3);
    service.execute(consumer);
    // 執(zhí)行10s
    Thread.sleep(10 *1000);
    producer1.stop();
    producer2.stop();
    producer3.stop();
    Thread.sleep(2000);
    // 退出Executor
    service.shutdown();
  }
}

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
 * 消費(fèi)者線程
 * @author jackyuj
 */
public class Consumerimplements Runnable {
  public Consumer(BlockingQueue<String> queue) {
    this.queue = queue;
  }
  public void run() {
    System.out.println("啟動(dòng)消費(fèi)者線程！");
    Random r = new Random();
    boolean isRunning = true;
    try {
      while (isRunning) {
        System.out.println("正從隊(duì)列獲取數(shù)據(jù)...");
        String data = queue.poll(2, TimeUnit.SECONDS);
        if (null != data) {
          System.out.println("拿到數(shù)據(jù)：" + data);
          System.out.println("正在消費(fèi)數(shù)據(jù)：" + data);
          Thread.sleep(r.nextInt(DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP));
        }else {
          // 超過(guò)2s還沒(méi)數(shù)據(jù)，認(rèn)為所有生產(chǎn)線程都已經(jīng)退出，自動(dòng)退出消費(fèi)線程。
          isRunning = false;
        }
      }
    }catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
      Thread.currentThread().interrupt();
    }finally {
      System.out.println("退出消費(fèi)者線程！");
    }
  }
  private BlockingQueue<String> queue;
  private static final int   DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP = 1000;
}
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
 * 生產(chǎn)者線程
 * @author jackyuj
 */
public class Producerimplements Runnable {
  public Producer(BlockingQueue queue) {
    this.queue = queue;
  }
  public void run() {
    String data = null;
    Random r = new Random();
    System.out.println("啟動(dòng)生產(chǎn)者線程！");
    try {
      while (isRunning) {
        System.out.println("正在生產(chǎn)數(shù)據(jù)...");
        Thread.sleep(r.nextInt(DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP));
        data = "data:" + count.incrementAndGet();
        System.out.println("將數(shù)據(jù)：" + data + "放入隊(duì)列...");
        if (!queue.offer(data,2, TimeUnit.SECONDS)) {
          System.out.println("放入數(shù)據(jù)失?。? + data);
        }
      }
    }catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
      Thread.currentThread().interrupt();
    }finally {
      System.out.println("退出生產(chǎn)者線程！");
    }
  }
  public void stop() {
    isRunning = false;
  }
  private volatile boolean   isRunning        = true;
  private BlockingQueue queue;
  private static AtomicInteger count          = new AtomicInteger();
  private static final int   DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP = 1000;
}

3. DelayQueue

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是一個(gè)沒(méi)有大小限制的隊(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。

使用場(chǎng)景：

DelayQueue使用場(chǎng)景較少，但都相當(dāng)巧妙，常見(jiàn)的例子比如使用一個(gè)DelayQueue來(lái)管理一個(gè)超時(shí)未響應(yīng)的連接隊(duì)列。

4. PriorityBlockingQueue

基于優(yōu)先級(jí)的阻塞隊(duì)列（優(yōu)先級(jí)的判斷通過(guò)構(gòu)造函數(shù)傳入的Compator對(duì)象來(lái)決定），但需要注意的是PriorityBlockingQueue并不會(huì)阻塞數(shù)據(jù)生產(chǎn)者，而只會(huì)在沒(méi)有可消費(fèi)的數(shù)據(jù)時(shí)，阻塞數(shù)據(jù)的消費(fèi)者。因此使用的時(shí)候要特別注意，生產(chǎn)者生產(chǎn)數(shù)據(jù)的速度絕對(duì)不能快于消費(fèi)者消費(fèi)數(shù)據(jù)的速度，否則時(shí)間一長(zhǎng)，會(huì)最終耗盡所有的可用堆內(nèi)存空間。在實(shí)現(xiàn)PriorityBlockingQueue時(shí)，內(nèi)部控制線程同步的鎖采用的是公平鎖。

5. SynchronousQueue

一種無(wú)緩沖的等待隊(duì)列，類似于無(wú)中介的直接交易，有點(diǎn)像原始社會(huì)中的生產(chǎn)者和消費(fèi)者，生產(chǎn)者拿著產(chǎn)品去集市銷售給產(chǎn)品的最終消費(fèi)者，而消費(fèi)者必須親自去集市找到所要商品的直接生產(chǎn)者，如果一方?jīng)]有找到合適的目標(biāo)，那么對(duì)不起，大家都在集市等待。相對(duì)于有緩沖的BlockingQueue來(lái)說(shuō)，少了一個(gè)中間經(jīng)銷商的環(huán)節(jié)（緩沖區(qū)），如果有經(jīng)銷商，生產(chǎn)者直接把產(chǎn)品批發(fā)給經(jīng)銷商，而無(wú)需在意經(jīng)銷商最終會(huì)將這些產(chǎn)品賣給那些消費(fèi)者，由于經(jīng)銷商可以庫(kù)存一部分商品，因此相對(duì)于直接交易模式，總體來(lái)說(shuō)采用中間經(jīng)銷商的模式會(huì)吞吐量高一些（可以批量買賣）；但另一方面，又因?yàn)榻?jīng)銷商的引入，使得產(chǎn)品從生產(chǎn)者到消費(fèi)者中間增加了額外的交易環(huán)節(jié)，單個(gè)產(chǎn)品的及時(shí)響應(yīng)性能可能會(huì)降低。

聲明一個(gè)SynchronousQueue有兩種不同的方式，它們之間有著不太一樣的行為。公平模式和非公平模式的區(qū)別:

如果采用公平模式：SynchronousQueue會(huì)采用公平鎖，并配合一個(gè)FIFO隊(duì)列來(lái)阻塞多余的生產(chǎn)者和消費(fèi)者，從而體系整體的公平策略；

但如果是非公平模式（SynchronousQueue默認(rèn)）：SynchronousQueue采用非公平鎖，同時(shí)配合一個(gè)LIFO隊(duì)列來(lái)管理多余的生產(chǎn)者和消費(fèi)者，而后一種模式，如果生產(chǎn)者和消費(fèi)者的處理速度有差距，則很容易出現(xiàn)饑渴的情況，即可能有某些生產(chǎn)者或者是消費(fèi)者的數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)都得不到處理。

小結(jié)

BlockingQueue不光實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整隊(duì)列所具有的基本功能，同時(shí)在多線程環(huán)境下，他還自動(dòng)管理了多線間的自動(dòng)等待于喚醒功能，從而使得程序員可以忽略這些細(xì)節(jié)，關(guān)注更高級(jí)的功能。 

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，謝謝大家對(duì)億速云的支持。如果你想了解更多相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)查看下面相關(guān)鏈接