java并发学习之BlockingQueue实现生产者消费者详解

1.介绍

     阻塞队列 (blockingqueue)是java util.concurrent包下重要的数据结构，blockingqueue提供了线程安全的队列访问方式：当阻塞队列进行插入数据时，如果队列已满，线程将会阻塞等待直到队列非满；从阻塞队列取数据时，如果队列已空，线程将会阻塞等待直到队列非空。并发包下很多高级同步类的实现都是基于blockingqueue实现的。

jdk7提供了以下7个阻塞队列：

arrayblockingqueue ：由数组结构组成的有界阻塞队列。
linkedblockingqueue ：由链表结构组成的有界阻塞队列。
priorityblockingqueue ：支持优先级排序的*阻塞队列。
delayqueue：使用优先级队列实现的*阻塞队列。
synchronousqueue：不存储元素的阻塞队列。
linkedtransferqueue：链表结构组成的*阻塞队列。
linkedblockingdeque：链表结构组成的双向阻塞队列。

阻塞队列提供了下列四种处理方法:

这4类方法中，在队列已满（或为空）的情况下，有些会抛出异常，有些则返回true/false，有些则一直阻塞，还有些则可以设置超时时间，时间到了后，自动退出阻塞状态，实际项目中可根据需要选取适合的方法。

2.队列

队列(queue)与栈(stack)是数据结构中的二种常用结构，队列的特点是先进先出(firstinfirstout)，而stack是先进后出(firstinlastout)，说得通俗点：queue就是电影院入场时人们排起来的进场队伍，先来的人（即：前排在前面的人）先入场，而statck则是一队人依次进入了一个死胡同想出来，先进去(最里面)的人，必须等后面的人(后进入的人)出来了，自己才能出来。

阻塞队列与普通队列的区别在于，当队列是空的时，从队列中获取元素的操作将会被阻塞，或者当队列是满时，往队列里添加元素的操作会被阻塞。试图从空的阻塞队列中获取元素的线程将会被阻塞，直到其他的线程往空的队列插入新的元素。同样，试图往已满的阻塞队列中添加新元素的线程同样也会被阻塞，直到其他的线程使队列重新变得空闲起来，如从队列中移除一个或者多个元素，或者完全清空队列.

队列在多线程应用中，常用于生产-消费场景，打个通俗的比方：很多人早上喜欢去买油条，买油条的人相当于消费者，做油条的师傅则是生产者。而油锅边上用于放油条的铁架子，可以看成一个共享的队列，师傅做好油条后，一根一根的捞出来放在架子上，而顾客则按排队的顺序一根根的付好钱从架子上拿。即：队列的一头，不断有人在放入东西（生产元素），另一头不断有人的消费(拿走元素)。这里就有一个很有趣的现象，如果买的人多，师傅来不及做，那么第一个顾客就会一直等着（后面的所有人也得等着，或称为阻塞了后面的人），直到师傅炸好一根，然后第一个顾客买完走了，后面的人才能顶上来，类似的道理，如果架子放满了，没有人来买，师傅就会停下来，等有人来买了，才会继续做，这就是所谓的队列阻塞，而能产生阻塞行为的队列称为阻塞队列。

从刚才的描述可以看出，发生阻塞起码得满足下面至少一个条件：(前提：队列是有界的)

1.从队列里取元素时，如果队列为空，则代码一直等在这里（即阻塞），直到队列里有东西了，拿到元素了，后面的代码才能继续；

2.向队列里放元素时，如果队列满了（即放不下更多元素），则代码也会卡住，直到队列里的东西被取走了（即：有空位可以放新元素了），后面的代码才能继续；

3.模拟生产者消费者

模拟了买油条的场景，1个老板在做油条，3个顾客在排队买：

package com.tl.skyline.thread;
import java.util.concurrent.arrayblockingqueue;
/**
 * created by tl on 17/3/3.
 */
public class blockingqueuetest {
  //final成员变量表示常量，只能被赋值一次，赋值后值不再改变。
  private static final int queuesize = 5;
  private static final arrayblockingqueue<string> queue = new arrayblockingqueue<string>(queuesize);
  private static final int producespeed = 2000;//生产速度(越小越快)
  private static final int consumespeed = 10;//消费速度(越小越快)
  //生产者
  public static class producer implements runnable {
    @override
    public void run() {
      while (true) {
        try {
          system.out.println("老板准备炸油条了，架子上还能放：" + (queuesize - queue.size()) + "根油条");
          queue.put("1根油条");
          system.out.println("老板炸好了1根油条，架子上还能放：" + (queuesize - queue.size()) + "根油条");
          thread.sleep(producespeed);
        } catch (interruptedexception e) {
          e.printstacktrace();
        }
      }
    }
  }
  //消费者
  public static class consumer implements runnable {
    @override
    public void run() {
      while (true) {
        try {
          system.out.println("a 准备买油条了，架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          queue.take();
          system.out.println("a 买到1根油条，架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          thread.sleep(consumespeed);
          system.out.println("b 准备买油条了，架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          queue.take();
          system.out.println("b 买到1根油条，架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          thread.sleep(consumespeed);
          system.out.println("c 准备买油条了，架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          queue.take();
          system.out.println("c 买到1根油条，架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          thread.sleep(consumespeed);
        } catch (interruptedexception e) {
          e.printstacktrace();
        }
      }
    }
  }
  public static void main(string[] args) {
    thread producer = new thread(new producer());
    thread consumer = new thread(new consumer());
    producer.start();
    consumer.start();
  }
}

结果：

老板准备炸油条了，架子上还能放：5根油条
老板炸好了1根油条，架子上还能放：4根油条
a 准备买油条了，架子上还剩1根油条
a 买到1根油条，架子上还剩0根油条
b 准备买油条了，架子上还剩0根油条
老板准备炸油条了，架子上还能放：5根油条
老板炸好了1根油条，架子上还能放：4根油条
b 买到1根油条，架子上还剩0根油条
c 准备买油条了，架子上还剩0根油条
老板准备炸油条了，架子上还能放：5根油条
老板炸好了1根油条，架子上还能放：4根油条
c 买到1根油条，架子上还剩0根油条
a 准备买油条了，架子上还剩0根油条
老板准备炸油条了，架子上还能放：5根油条
老板炸好了1根油条，架子上还能放：4根油条
a 买到1根油条，架子上还剩0根油条
b 准备买油条了，架子上还剩0根油条
老板准备炸油条了，架子上还能放：5根油条
老板炸好了1根油条，架子上还能放：4根油条

上面设置消费速度快于生产速度，所有会发现控制台中，老板炸油条时，架子上油条卖得快，所以能放4根或者5根油条，而顾客由于购买速度快，所以会经常出现架子上还剩0根油条，当我们把生产速度producespeed跟消费速度consumespeed对换一下，又会发现相反的结果。

4.原理分析

我们简单模拟一下blockingqueue，熟悉一下背后的原理：

public class blockingqueue {
	private list queue = new linkedlist();
	private int limit = 10;
	public blockingqueue(int limit){
		this.limit = limit;
	}
	public synchronized void enqueue(object item)
	throws interruptedexception {
		while(this.queue.size() == this.limit) {
			wait();
		}
		if(this.queue.size() == 0) {
			notifyall();
		}
		this.queue.add(item);
	}
	public synchronized object dequeue()
	throws interruptedexception{
		while(this.queue.size() == 0){
			wait();
		}
		if(this.queue.size() == this.limit){
			notifyall();
		}
		return this.queue.remove(0);
	}
}

我们看一下jdk的实现过程：

arrayblockingqueue的部分源码：

/** main lock guarding all access */ 
final reentrantlock lock; 
/** condition for waiting takes */ 
private final condition notempty; 
/** condition for waiting puts */ 
private final condition notfull; 

这3个变量很重要，reentrantlock重入锁，notempty检查不为空的condition以及notfull用来检查队列未满的condition

condition是一个接口，里面有二个重要的方法：

await()：causesthecurrentthreadtowaituntilitissignalledorinterrupted.即阻塞当前线程，直到被通知（唤醒）或中断

singal():wakesuponewaitingthread.唤醒阻塞的线程

再来看put方法：(jdk1.8)

public void put(e e) throws interruptedexception {
  checknotnull(e);
  final reentrantlock lock = this.lock;
  lock.lockinterruptibly();
  try {
    while (count == items.length)
      notfull.await();
    enqueue(e);
  } finally {
    lock.unlock();
  }
}

1.先获取锁
2.然后用while循环检测元素个数是否等于items长度，如果相等，表示队列满了,调用notfull的await()方法阻塞线程
3.否则调用enqueue()方法添加元素
4.最后解锁

这是添加元素的代码（jdk 1.8）,注意最后一行notempty.signal()方法，表示添加完元素后，调用singal()通知等待（从队列中取元素）的线程，队列不空(有值)啦，可以来取东西了。

类似的take()与dequeue()方法则相当于逆过程（注：同样都是jdk 1.8）

public e take() throws interruptedexception {
  final reentrantlock lock = this.lock;
  lock.lockinterruptibly();
  try {
    while (count == 0)
      notempty.await();
    return dequeue();
  } finally {
    lock.unlock();
  }
}

类似的：

1. 先加锁
2. 如果元素个数为空，表示队列已空，调用notempty的await()阻塞线程，直接队列里又有新元素加入为止
3. 然后调用dequeue 从队列里删除元素
4. 解锁

dequeue方法：

private e dequeue() {
  // assert lock.getholdcount() == 1;
  // assert items[takeindex] != null;
  final object[] items = this.items;
  @suppresswarnings("unchecked")
  e x = (e) items[takeindex];
  items[takeindex] = null;
  if (++takeindex == items.length)
    takeindex = 0;
  count--;
  if (itrs != null)
    itrs.elementdequeued();
  notfull.signal();
  return x;
}

倒数第2行，元素移除后，调用notfull.singnal唤醒等待（向队列添加元素的）线程，队列有空位了，可以向里面添加元素了。

总结

以上就是本文关于java并发学习之blockingqueue实现生产者消费者详解的全部内容，希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站：java并发之嵌套管程锁死详解、、java并发编程semaphore计数信号量详解等，有什么问题可以随时留言，小编会及时回复大家的。感谢朋友们对本站的支持！