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剖析Java中阻塞队列的实现原理及应用场景

程序员文章站 2024-03-07 16:16:15
我们平时使用的一些常见队列都是非阻塞队列,比如priorityqueue、linkedlist(linkedlist是双向链表,它实现了dequeue接口)。 使用非阻塞...

我们平时使用的一些常见队列都是非阻塞队列,比如priorityqueue、linkedlist(linkedlist是双向链表,它实现了dequeue接口)。
使用非阻塞队列的时候有一个很大问题就是:它不会对当前线程产生阻塞,那么在面对类似消费者-生产者的模型时,就必须额外地实现同步策略以及线程间唤醒策略,这个实现起来就非常麻烦。但是有了阻塞队列就不一样了,它会对当前线程产生阻塞,比如一个线程从一个空的阻塞队列中取元素,此时线程会被阻塞直到阻塞队列中有了元素。当队列中有元素后,被阻塞的线程会自动被唤醒(不需要我们编写代码去唤醒)。这样提供了极大的方便性。
一.几种主要的阻塞队列

  自从java 1.5之后,在java.util.concurrent包下提供了若干个阻塞队列,主要有以下几个:

  arrayblockingqueue:基于数组实现的一个阻塞队列,在创建arrayblockingqueue对象时必须制定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性,默认情况下为非公平的,即不保证等待时间最长的队列最优先能够访问队列。

  linkedblockingqueue:基于链表实现的一个阻塞队列,在创建linkedblockingqueue对象时如果不指定容量大小,则默认大小为integer.max_value。

  priorityblockingqueue:以上2种队列都是先进先出队列,而priorityblockingqueue却不是,它会按照元素的优先级对元素进行排序,按照优先级顺序出队,每次出队的元素都是优先级最高的元素。注意,此阻塞队列为*阻塞队列,即容量没有上限(通过源码就可以知道,它没有容器满的信号标志),前面2种都是有界队列。

  delayqueue:基于priorityqueue,一种延时阻塞队列,delayqueue中的元素只有当其指定的延迟时间到了,才能够从队列中获取到该元素。delayqueue也是一个*队列,因此往队列中插入数据的操作(生产者)永远不会被阻塞,而只有获取数据的操作(消费者)才会被阻塞。

二.阻塞队列中的方法 vs 非阻塞队列中的方法

1.非阻塞队列中的几个主要方法:

  •   add(e e):将元素e插入到队列末尾,如果插入成功,则返回true;如果插入失败(即队列已满),则会抛出异常;
  •   remove():移除队首元素,若移除成功,则返回true;如果移除失败(队列为空),则会抛出异常;
  •   offer(e e):将元素e插入到队列末尾,如果插入成功,则返回true;如果插入失败(即队列已满),则返回false;
  •   poll():移除并获取队首元素,若成功,则返回队首元素;否则返回null;
  •   peek():获取队首元素,若成功,则返回队首元素;否则返回null

 

  对于非阻塞队列,一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法,不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否,而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意,非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。

2.阻塞队列中的几个主要方法:

  阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法,上面列举的5个方法在阻塞队列中都存在,但是要注意这5个方法在阻塞队列中都进行了同步措施。除此之外,阻塞队列提供了另外4个非常有用的方法:

  1.   put(e e)
  2.   take()
  3.   offer(e e,long timeout, timeunit unit)
  4.   poll(long timeout, timeunit unit)

  

  •   put方法用来向队尾存入元素,如果队列满,则等待;
  •   take方法用来从队首取元素,如果队列为空,则等待;
  •   offer方法用来向队尾存入元素,如果队列满,则等待一定的时间,当时间期限达到时,如果还没有插入成功,则返回false;否则返回true;
  •   poll方法用来从队首取元素,如果队列空,则等待一定的时间,当时间期限达到时,如果取到,则返回null;否则返回取得的元素;

三.阻塞队列的实现原理

如果队列是空的,消费者会一直等待,当生产者添加元素时候,消费者是如何知道当前队列有元素的呢?如果让你来设计阻塞队列你会如何设计,让生产者和消费者能够高效率的进行通讯呢?让我们先来看看jdk是如何实现的。

使用通知模式实现。所谓通知模式,就是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。通过查看jdk源码发现arrayblockingqueue使用了condition来实现,代码如下:

private final condition notfull;
private final condition notempty;

public arrayblockingqueue(int capacity, boolean fair) {
    //省略其他代码
    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();
  }

当我们往队列里插入一个元素时,如果队列不可用,阻塞生产者主要通过locksupport.park(this);来实现

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);
    }

继续进入源码,发现调用setblocker先保存下将要阻塞的线程,然后调用unsafe.park阻塞当前线程。

public static void park(object blocker) {
    thread t = thread.currentthread();
    setblocker(t, blocker);
    unsafe.park(false, 0l);
    setblocker(t, null);
  }

unsafe.park是个native方法,代码如下:

public native void park(boolean isabsolute, long time);

park这个方法会阻塞当前线程,只有以下四种情况中的一种发生时,该方法才会返回。

与park对应的unpark执行或已经执行时。注意:已经执行是指unpark先执行,然后再执行的park。
线程被中断时。
如果参数中的time不是零,等待了指定的毫秒数时。
发生异常现象时。这些异常事先无法确定。
我们继续看一下jvm是如何实现park方法的,park在不同的操作系统使用不同的方式实现,在linux下是使用的是系统方法pthread_cond_wait实现。实现代码在jvm源码路径src/os/linux/vm/os_linux.cpp里的 os::platformevent::park方法,代码如下:

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是一个多线程的条件变量函数,cond是condition的缩写,字面意思可以理解为线程在等待一个条件发生,这个条件是一个全局变量。这个方法接收两个参数,一个共享变量_cond,一个互斥量_mutex。而unpark方法在linux下是使用pthread_cond_signal实现的。park 在windows下则是使用waitforsingleobject实现的。

当队列满时,生产者往阻塞队列里插入一个元素,生产者线程会进入waiting (parking)状态。我们可以使用jstack dump阻塞的生产者线程看到这点:

"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)

四.示例和使用场景

  下面先使用object.wait()和object.notify()、非阻塞队列实现生产者-消费者模式:

public class test {
  private int queuesize = 10;
  private priorityqueue<integer> queue = new priorityqueue<integer>(queuesize);
   
  public static void main(string[] args) {
    test test = new test();
    producer producer = test.new producer();
    consumer consumer = test.new consumer();
     
    producer.start();
    consumer.start();
  }
   
  class consumer extends thread{
     
    @override
    public void run() {
      consume();
    }
     
    private void consume() {
      while(true){
        synchronized (queue) {
          while(queue.size() == 0){
            try {
              system.out.println("队列空,等待数据");
              queue.wait();
            } catch (interruptedexception e) {
              e.printstacktrace();
              queue.notify();
            }
          }
          queue.poll();     //每次移走队首元素
          queue.notify();
          system.out.println("从队列取走一个元素,队列剩余"+queue.size()+"个元素");
        }
      }
    }
  }
   
  class producer extends thread{
     
    @override
    public void run() {
      produce();
    }
     
    private void produce() {
      while(true){
        synchronized (queue) {
          while(queue.size() == queuesize){
            try {
              system.out.println("队列满,等待有空余空间");
              queue.wait();
            } catch (interruptedexception e) {
              e.printstacktrace();
              queue.notify();
            }
          }
          queue.offer(1);    //每次插入一个元素
          queue.notify();
          system.out.println("向队列取中插入一个元素,队列剩余空间:"+(queuesize-queue.size()));
        }
      }
    }
  }
}

   这个是经典的生产者-消费者模式,通过阻塞队列和object.wait()和object.notify()实现,wait()和notify()主要用来实现线程间通信。

  具体的线程间通信方式(wait和notify的使用)在后续问章中会讲述到。

  下面是使用阻塞队列实现的生产者-消费者模式:

public class test {
  private int queuesize = 10;
  private arrayblockingqueue<integer> queue = new arrayblockingqueue<integer>(queuesize);
   
  public static void main(string[] args) {
    test test = new test();
    producer producer = test.new producer();
    consumer consumer = test.new consumer();
     
    producer.start();
    consumer.start();
  }
   
  class consumer extends thread{
     
    @override
    public void run() {
      consume();
    }
     
    private void consume() {
      while(true){
        try {
          queue.take();
          system.out.println("从队列取走一个元素,队列剩余"+queue.size()+"个元素");
        } catch (interruptedexception e) {
          e.printstacktrace();
        }
      }
    }
  }
   
  class producer extends thread{
     
    @override
    public void run() {
      produce();
    }
     
    private void produce() {
      while(true){
        try {
          queue.put(1);
          system.out.println("向队列取中插入一个元素,队列剩余空间:"+(queuesize-queue.size()));
        } catch (interruptedexception e) {
          e.printstacktrace();
        }
      }
    }
  }
}

   有没有发现,使用阻塞队列代码要简单得多,不需要再单独考虑同步和线程间通信的问题。

  在并发编程中,一般推荐使用阻塞队列,这样实现可以尽量地避免程序出现意外的错误。

  阻塞队列使用最经典的场景就是socket客户端数据的读取和解析,读取数据的线程不断将数据放入队列,然后解析线程不断从队列取数据解析。还有其他类似的场景,只要符合生产者-消费者模型的都可以使用阻塞队列。