java阻塞队列

程序员文章站 2024-02-11 13:15:22

...

基本介绍：

队列是一种数据结构，它有两个基本操作：在队列尾部加入元素和从队列头部移除元素。在我们日常开发中，经常用来并发操作数据。java包中有一些应用比较广泛的特殊队列：

一种是以ConcurrentLinkedQueue为代表的非阻塞队列；
另一种是以BlockingQueue接口为代表的阻塞队列。
通过这两种队列，我们保证了多线程操作数据的安全性。

队列的继承图：
java阻塞队列

从类图中可以得知：java集合中的Queue继承collection接口，Dueue、PriorityQueue、BlockingQueue等类都实现了它。

阻塞队列

阻塞队列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。
因此，当一个线程试图对一个已经满了的队列进行入队列操作时，它将会被堵塞，除非有另一个线程做了出队列的操作；同样，当一个线程试图对一个空队列进行出队列操作时，它将会被阻塞，除非有另外一个线程进行了入队列的操作。

常见的阻塞队列应用就是生产者消费者模式。生产者把数据放到队列，如果队列满了，就会阻塞此操作，直到消费者消费，如果队列中数据被消费完，那么消费者被阻塞，直到生产者生产。

参考上面的类图：
在java包"java.util.concurrent"中，提供六个实现了"BlockingQueue"接口的阻塞队列。分别是ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、DelayQueue、SynchronousQueue和LinkedBlockingDeque。实质上阻塞队列是一种特殊的FIFO数据结构，它不是立即从队列中添加或删除元素，而是等到有空间或者元素可用的时候才操作。下面分析下每种阻塞队列的实现方式和应用场景。

ArrayBlockingQueue

用数组实现的有界阻塞队列，默认情况下不保证线程公平的访问队列（按照阻塞的先后顺序访问队列），队列可用的时候，阻塞的线程都可以争夺队列的访问资格，当然也可以使用以下的构造方法创建一个公平的阻塞队列。ArrayBlockingQueue blockingQueue2 = new ArrayBlockingQueue<>(10, true)。（其实就是通过将ReentrantLock设置为true来达到这种公平性的：即等待时间最长的线程会先操作）。用ReentrantLock condition 实现阻塞。

有界就是队列的长度有限制，例如数组队列，在构建的时候就指定了长度。*就是可以无限地添加。

LinkedBlockingQueue

基于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。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。这个队列的实现原理和ArrayBlockingQueue实现基本相同。也是采用ReentrantLock 控制并发，不同的是它使用两个独占锁来控制消费和生产。即用takeLock和putlock,这样的好处是消费者和生产者可以并发执行，对吞吐量有提升。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个带优先级的队列，而不是先进先出队列。元素按优先级顺序被移除，该队列也没有上限(PriorityBlockingQueue是对 PriorityQueue的再次包装，是基于堆数据结构的，而PriorityQueue是没有容量限制的，与ArrayList一样，所以在优先阻塞队列上put时是不会受阻的。虽然此队列逻辑上是*的，但是由于资源被耗尽，所以试图执行添加操作可能会导致 OutOfMemoryError)，但是如果队列为空，那么取元素的操作take就会阻塞，所以它的检索操作take是受阻的。也是用ReentrantLock控制并发

DelayQueue

DelayQueue是在PriorityQueue基础上实现的，底层也是数组构造方法，是一个存放Delayed 元素的*阻塞队列，只有在延迟期满时才能从中提取元素。该队列的头部是延迟期满后保存时间最长的 Delayed 元素。如果延迟都还没有期满，则队列没有头部，并且poll将返回null。当一个元素的 getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) 方法返回一个小于或等于零的值时，则出现期满，poll就移除这个元素了。此队列不允许使用 null 元素。

SynchronousQueue

一个没有容量的队列 ，不会存储数据，每执行一次put就要执行一次take，否则就会阻塞。未使用锁。通过cas实现，吞吐量异常高。内部采用的就是ArrayBlockingQueue的阻塞队列，所以在功能上完全可以用ArrayBlockingQueue替换，但是SynchronousQueue是轻量级的，SynchronousQueue不具有任何内部容量，我们可以用来在线程间安全的交换单一元素。所以功能比较单一，优势就在于轻量。
代码示例：

public class SynchronousQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 该队列没有容量，必须生产一个，取一个
        BlockingQueue<String> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " put a");
                    synchronousQueue.put("a");
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " put b");
                    synchronousQueue.put("b");
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " put b");
                    synchronousQueue.put("c");

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "t1").start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "取出："+synchronousQueue.take());
                    Thread.sleep(3000);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "取出："+synchronousQueue.take());
                    Thread.sleep(3000);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "取出："+synchronousQueue.take());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "t2").start();
    }
}

运行结果：

t1 put a
t2取出：a
t1 put b
t2取出：b
t1 put b
t2取出：c

从结果可以看出，当添加一个元素后，如果没有take出该元素，那么就无法继续添加第2个元素。

查看源码，得知，线程会一直在该put方法里面执行for(;;)循环

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是双向链表实现的双向并发阻塞队列。该阻塞队列同时支持FIFO和FILO两种操作方式，即可以从队列的头和尾同时操作(插入/删除)；并且，该阻塞队列是支持线程安全，当多线程竞争同一个资源时，某线程获取到该资源之后，其它线程需要阻塞等待。此外，LinkedBlockingDeque还是可选容量的(防止过度膨胀)，即可以指定队列的容量。如果不指定，默认容量大小等于Integer.MAX_VALUE。

阻塞队列常用方法

java阻塞队列
抛出异常组
使用add,remove方法往队列里面添加元素的时候如果添加的元素超过了队列的大小，或者移除队列元素的时候队列为空，就会抛出异常。代码如下

public class BlockingQueueTest {

    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);
        blockingQueue.add("a");
        blockingQueue.add("b");
        blockingQueue.add("c");

        blockingQueue.element();
        
        blockingQueue.remove();
        blockingQueue.remove();
        blockingQueue.remove();
        blockingQueue.remove();
    }
}

运行结果:

Exception in thread "main" java.util.NoSuchElementException
	at java.util.AbstractQueue.remove(AbstractQueue.java:117)
	at com.fangyajun.javasduty.juc.queue.BlockingQueueTest.main(BlockingQueueTest.java:19)

当队列多移除元素，或者多添加元素的时候，使用该方法就出抛出异常。

特殊值组
使用offer方法往队列里面添加元素的时候如果添加的元素返回boolean值，表示添加失败或者成功.
使用poll移除队列元素的时候，返回移除当前的元素，当队列为空的时候，返回null.
peek方法表查看元素，不会从队列里面取出。

   public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);
        System.out.println(blockingQueue.offer("a"));
        System.out.println(blockingQueue.offer("b"));
        System.out.println(blockingQueue.offer("c"));
        System.out.println(blockingQueue.offer("d"));

        System.out.println("-----使用peek查看队列头元素-----");
        System.out.println(blockingQueue.peek());
        System.out.println("-----使用poll移除队列元素-----");
        System.out.println(blockingQueue.poll());
        System.out.println(blockingQueue.poll());
        System.out.println(blockingQueue.poll());
        System.out.println(blockingQueue.poll());
        System.out.println(blockingQueue.poll());

        System.out.println("-----当队列为空时使用peek查看队列头元素-----");
        System.out.println(blockingQueue.peek());
    }
}

运行结果：

true
true
true
false
-----使用peek查看队列头元素-----
a
-----使用poll移除队列元素-----
a
b
c
null
null
-----当队列为空时使用peek查看队列头元素-----
null

从结果可以看出，使用offer添加元素的时候，返回boolean表示插入成功或者失败，使用poll移除元素的时候返回当前移除的元素，当队列为空的时候返回null。

阻塞组
当使用put,take添加或者移除元素的时候，添加元素的时候，如果队列已满，则线程一直阻塞直到put成功或者响应失中断退出。当队列为空的时候，消费者试图从队列里面take数据，队列会一直阻塞消费者线程直到队列可用。

public class BlockingQueueTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);
        blockingQueue.put("a");
        blockingQueue.put("b");
        blockingQueue.put("c");
        blockingQueue.put("d");
        System.out.println("-------------------");
        blockingQueue.take();
        blockingQueue.take();
        blockingQueue.take();
        blockingQueue.take();
        blockingQueue.take();
    }
}

运行结果是程序会一直等待，没有中断

超时退出组
当线程队列满时，往队列添加元素，地漏会阻塞生产者线程一定时间，超过限时后，生产者线程退出

public class BlockingQueueTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);
        blockingQueue.offer("a", 2, TimeUnit.SECONDS);
        blockingQueue.offer("b", 2, TimeUnit.SECONDS);
        blockingQueue.offer("c", 2, TimeUnit.SECONDS);
        System.out.println("队列已满插入第4个元素：");
        blockingQueue.offer("a", 2, TimeUnit.SECONDS);
    }
}

运行结果：当插入第4个元素的时候，线程会阻塞2秒，没有插入成功退出。

true
true
true
队列已满插入第4个元素：
false

java阻塞队列

基本介绍：

阻塞队列

ArrayBlockingQueue

LinkedBlockingQueue

PriorityBlockingQueue

DelayQueue

SynchronousQueue

LinkedBlockingDeque

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