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Java阻塞队列

程序员文章站 2024-02-11 12:45:28
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管程

管程 (英语:Moniters,也称为监视器) 是一种程序结构,结构内的多个子程序(对象或模块)形成的多个工作线程互斥访问共享资源。

管程实现了在一个时间点,最多只有一个线程在执行管程的某个子程序。

管程包括:

  • 多个彼此可以交互并共用资源的线程
  • 多个与资源使用有关的变量
  • 一个互斥锁
  • 一个用来避免竞态条件的不变量

信号量


阻塞队列

阻塞队列(BlockingQueue)是一个支持两个附加操作的队列。

在队列为空时,获取元素的线程会等待队列变为非空。
当队列满时,存储元素的线程会等待队列可用。

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景,生产者是往队列里添加元素的线程,消费者是从队列里拿元素的线程。
阻塞队列就是生产者存放元素的容器,而消费者也只从容器里拿元素。


Java阻塞队列


Queue接口

Queue接口的三种操作:入队、出队和检索均有两个实现

  • 入队:add() offer()
  • 出队:remove() poll()
  • 检索:element() peek()

BlockingQueue

BlockingQueue在Queue接口的基础上对入队和出队两个操作分别又增加了阻塞方法

  • 阻塞入队 put(E e)
    如果BlockQueue没有空间,则调用此方法的线程被阻断
  • 阻塞出队 E take()
    取走BlockingQueue里排在首位的对象,若BlockingQueue为空,阻断进入等待状态直到BlockingQueue有新的数据被加入;
  • 定时入队
  • 定时出队

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个用数组实现的有界阻塞队列。

按照先进先出(FIFO)的原则对元素进行排序。

ArrayBlockingQueue在生产者放入数据和消费者获取数据,都是共用同一个锁对象

重要对象:

    final Object[] items;
    int takeIndex;
    int putIndex;
    int count;
    final ReentrantLock lock;
    private final Condition notEmpty;
    private final Condition notFull;

无参构造函数 默认非公平

public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
        this(capacity, false);
    }

有参构造函数

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();
    }

访问者的公平性是使用可重入锁实现的


LinkedBlockingQueue

  • LinkedBlockingQueue是一个用链表实现的有界阻塞队列。
  • 此队列的默认和最大长度为Integer.MAX_VALUE。
public LinkedBlockingQueue() {
        this(Integer.MAX_VALUE);
    }
  • 此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。

PriorityBlockingQueue

  • PriorityBlockingQueue是一个支持优先级*队列。
  • 默认情况下元素采取自然顺序排列,也可以通过比较器comparator来指定元素的排序规则。
  • 元素按照升序排列。


LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque: 一个基于双端链表的双端阻塞队列


阻塞队列的实现原理

让生产者和消费者能够高效率的进行通讯呢?

使用通知模式实现。

当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞住生产者,当消费者消费了一个队列中的元素后,会通知生产者当前队列可用。

ArrayBlockingQueue使用了Condition来实现

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();
        }
    }
public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
private void enqueue(E x) {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[putIndex] == null;
        final Object[] items = this.items;
        items[putIndex] = x;
        if (++putIndex == items.length)
            putIndex = 0;
        count++;
        notEmpty.signal();
    }