多线程之 阻塞队列

简介：

       大神Doug lea 给我们开发者创建了一个名为BlockQueue的接口，见名知义就是阻塞队列，它是线程安全的，经常在JUC包下源码下可以看到它的身影，究竟为何物我们一起来学习下吧。

        从上图我们可以很清楚看到，通过一个共享的队列，可以使得数据由队列的一端输入，从另外一端输出；常用的队列主要有以下两种（当然通过不同的实现方式，还可以延伸出很多不同类型的队列，DelayQueue就是其中的一种）

1. 先进先出（FIFO）：先插入的队列的元素也最先出队列，类似于排队的功能。从某种程度上来说这种队列也体现了一种公平性
2. 后进先出（LIFO）：后插入队列的元素最先出队列，这种队列优先处理最近发生的事件

        在多线程的情况下，比如经典的生产者与消费者模型，生产者把消息发到共享的队列上去，消费者然后从队列中取数，队列就可以很容易的实现数据共享，但是当生产者生产消息的速度 > 消费者的速度时，由于消息队列长度有限，生产者必须要停滞生产消息。反之消费者消费的速度  > 生产者的生产速度，消费者也必须停滞消费。而这一切都需要我们开发者自己用逻辑实现而且还要考虑到线程安全问题。但从jdk1.5后，大神帮我们实现了上述功能，

• 当队列消息溢出时，生产者线程陷入阻塞，当队列有空位置时，线程自动被唤醒。
• 当队列消息为空时，消费者线程从中拿取消息，该线程会陷入阻塞，当队列有数据时，线程会被自动唤醒。

这也就是我们JUC包里经常要学习到的线程通信，比如Condition（await/single）、LockSupport(park/unpark)等，这些也都是后话了。

BlockingQueue的核心方法：

阻塞队列支持添加、删除、检查这三个操作来操作我们消息队列的消息，其中每个操作都支持四种形式，而这四种形式介绍情况如下：

放入数据 ：

1. add(obj): 将obj加到队列里,如果队列可以容纳,返回true,否则返回 IllegalStateException
2. offer(obj):将obj加到队列里,如果队列可以容纳,返回true,否则返回 false.（不阻塞当前执行方法的线程）　
3. put(anObject):将obj加到队列里,如果队列没有空间,则调用此方法的线程被阻断,直到队列里面有空间再继续.
4. offer(E o, long timeout, TimeUnit unit)：设定等待的时间，如果在指定的时间内，还不能往队列中加入队列，则返回失败

获取数据 ：

1. remove():从队列中取走元素，队列不为空返回该对象，为空返回 NoSuchElementException
2. poll():从队列中取走排在首位的元素,若队列为空,取不到时返回null,取到了返回该对象
3. poll(long timeout, TimeUnit unit)：从队列中取出一个队首的对象，如果在指定时间内，队列一旦有数据可取，则立即返回队列中的数据。否则知道时间超时还没有数据可取，返回失败。
4. take():从队列中取走排在首位的对象,若队列为空,阻断进入等待状态，直到队列有新的数据被加入; 
5. drainTo():一次性从队列只获取所有可用的数据对象（还可以指定获取数据的个数），通过该方法，可以提升获取数据效率；不需要多次分批加锁或释放锁。

常见的BlockingQueue

      1. ArrayBlockingQueue 

　　基于数组的阻塞队列实现，在ArrayBlockingQueue内部，维护了一个定长数组，以便缓存队列中的数据对象，这是一个常用的阻塞队列，除了一个定长数组外，ArrayBlockingQueue内部还保存着两个整形变量，分别标识着队列的头部和尾部在数组中的位置。

　　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，由此也意味着两者无法真正并行运行，这点尤其不同于LinkedBlockingQueue；按照实现原理来分析，ArrayBlockingQueue完全可以采用分离锁，从而实现生产者和消费者操作的完全并行运行。Doug Lea之所以没这样去做，也许是因为ArrayBlockingQueue的数据写入和获取操作已经足够轻巧，以至于引入独立的锁机制，除了给代码带来额外的复杂性外，其在性能上完全占不到任何便宜。 ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue间还有一个明显的不同之处在于，前者在插入或删除元素时不会产生或销毁任何额外的对象实例，而后者则会生成一个额外的Node对象。这在长时间内需要高效并发地处理大批量数据的系统中，其对于GC的影响还是存在一定的区别。而在创建ArrayBlockingQueue时，我们还可以控制对象的内部锁是否采用公平锁，默认采用非公平锁。

　　2.LinkedBlockingQueue

　　基于链表的阻塞队列，同ArrayListBlockingQueue类似，其内部也维持着一个数据缓冲队列（该队列由一个链表构成），当生产者往队列中放入一个数据时，队列会从生产者手中获取数据，并缓存在队列内部，而生产者立即返回；只有当队列缓冲区达到最大值缓存容量时（LinkedBlockingQueue可以通过构造函数指定该值），才会阻塞生产者队列，直到消费者从队列中消费掉一份数据，生产者线程会被唤醒，反之对于消费者这端的处理也基于同样的原理。而LinkedBlockingQueue之所以能够高效的处理并发数据，还因为其对于生产者端和消费者端分别采用了独立的锁来控制数据同步，这也意味着在高并发的情况下生产者和消费者可以并行地操作队列中的数据，以此来提高整个队列的并发性能。

　　作为开发者，我们需要注意的是，如果构造一个LinkedBlockingQueue对象，而没有指定其容量大小，LinkedBlockingQueue会默认一个类似无限大小的容量（Integer.MAX_VALUE），这样的话，如果生产者的速度一旦大于消费者的速度，也许还没有等到队列满阻塞产生，系统内存就有可能已被消耗殆尽了。

　　ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue是两个最普通也是最常用的阻塞队列，一般情况下，在处理多线程间的生产者消费者问题，使用这两个类足以。

       3. DelayQueue

　　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是一个没有大小限制的队列，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。

　　使用场景：

　　DelayQueue使用场景较少，但都相当巧妙，常见的例子比如使用一个DelayQueue来管理一个超时未响应的连接队列。

　　4. PriorityBlockingQueue

　　 基于优先级的阻塞队列（优先级的判断通过构造函数传入的Compator对象来决定），但需要注意的是PriorityBlockingQueue并不会阻塞数据生产者，而只会在没有可消费的数据时，阻塞数据的消费者。因此使用的时候要特别注意，生产者生产数据的速度绝对不能快于消费者消费数据的速度，否则时间一长，会最终耗尽所有的可用堆内存空间。在实现PriorityBlockingQueue时，内部控制线程同步的锁采用的是公平锁。

　　5. SynchronousQueue

　　 一种无缓冲的等待队列，类似于无中介的直接交易，有点像原始社会中的生产者和消费者，生产者拿着产品去集市销售给产品的最终消费者，而消费者必须亲自去集市找到所要商品的直接生产者，如果一方没有找到合适的目标，那么对不起，大家都在集市等待。相对于有缓冲的BlockingQueue来说，少了一个中间经销商的环节（缓冲区），如果有经销商，生产者直接把产品批发给经销商，而无需在意经销商最终会将这些产品卖给那些消费者，由于经销商可以库存一部分商品，因此相对于直接交易模式，总体来说采用中间经销商的模式会吞吐量高一些（可以批量买卖）；但另一方面，又因为经销商的引入，使得产品从生产者到消费者中间增加了额外的交易环节，单个产品的及时响应性能可能会降低。

　　声明一个SynchronousQueue有两种不同的方式，它们之间有着不太一样的行为。公平模式和非公平模式的区别:

1. 公平模式：SynchronousQueue会采用公平锁，并配合一个FIFO队列来阻塞多余的生产者和消费者，从而体系整体的公平策略；
2. 非公平模式（SynchronousQueue默认）：SynchronousQueue采用非公平锁，同时配合一个LIFO队列来管理多余的生产者和消费者，而后一种模式，如果生产者和消费者的处理速度有差距，则很容易出现饥渴的情况，即可能有某些生产者或者是消费者的数据永远都得不到处理。

阻塞队列构建简单的生产消费demo

/**
 * @author heian
 * @create 2020-01-21-4:50 下午
 * @description
 */
public class BlockQueueDemo {

    private static LinkedBlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>();

    public void pruductMsg(int value) throws InterruptedException {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        queue.put("消息:" + value);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockQueueDemo demo = new BlockQueueDemo();
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        //向线程池 提交100个任务，生产100条消息
        IntStream.range(0,100).forEach(value -> {
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    demo.pruductMsg(value);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        });
        while (true){
            String msg = queue.take();
            System.out.println(msg);
        }

    }

}

五. 小结

　　BlockingQueue不光实现了一个完整队列所具有的基本功能，同时在多线程环境下，他还自动管理了多线间的自动等待于唤醒功能，从而使得程序员可以忽略这些细节，关注更高级的功能。

 

参考至：https://www.cnblogs.com/aspirant/p/8657801.html