[JUC] 阻塞队列 BlockingQueue

2024-03-22 20:44:46

[JUC] 阻塞队列 BlockingQueue

@TOC[目录]

BlockingQueue用法

BlockingQueue 通常用于一个线程生产对象，而另外一个线程消费这些对象的场景。下图是对这个原理的阐述：
[JUC] 阻塞队列 BlockingQueue
一个线程往里边放，另外一个线程从里边取的一个 BlockingQueue。

一个线程将会持续生产新对象并将其插入到队列之中，直到队列达到它所能容纳的临界点。也就是说，它是有限的。如果该阻塞队列到达了其临界点，负责生产的线程将会在往里边插入新对象时发生阻塞。它会一直处于阻塞之中，直到负责消费的线程从队列中拿走一个对象。

负责消费的线程将会一直从该阻塞队列中拿出对象。如果消费线程尝试去从一个空的队列中提取对象的话，这个消费线程将会处于阻塞之中，直到一个生产线程把一个对象丢进队列。

BlockingQueue 具有 4 组不同的方法用于插入、移除以及对队列中的元素进行检查。如果请求的操作不能得到立即执行的话，每个方法的表现也不同。这些方法如下：

抛异常 特定值 阻塞 超时
插入 add(o) offer(o) put(o)
移除 remove(o) poll(o) take(o)
检查 element(o) peek(o)

四组不同的行为方式解释：

  1. 抛异常：如果试图的操作无法立即执行，抛一个异常。
  2. 特定值：如果试图的操作无法立即执行，返回一个特定的值(常常是 true / false)。
  3. 阻塞：如果试图的操作无法立即执行，该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行。
  4. 超时：如果试图的操作无法立即执行，该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行，但等待时间不会超过给定值。返回一个特定值以告知该操作是否成功(典型的是 true / false)。

无法向一个 BlockingQueue 中插入 null。如果你试图插入 null，BlockingQueue 将会抛出一个 NullPointerException。

可以访问到 BlockingQueue 中的所有元素，而不仅仅是开始和结束的元素。比如说，你将一个对象放入队列之中以等待处理，但你的应用想要将其取消掉。那么你可以调用诸如 remove(o) 方法来将队列之中的特定对象进行移除。但是这么干效率并不高(译者注：基于队列的数据结构，获取除开始或结束位置的其他对象的效率不会太高)，因此你尽量不要用这一类的方法，除非你确实不得不那么做。

BlockingQueue 是个接口，你需要使用它的实现之一来使用 BlockingQueue。java.util.concurrent 具有以下 BlockingQueue 接口的实现(Java 6)：

  • ArrayBlockingQueue
  • DelayQueue
  • LinkedBlockingQueue
  • PriorityBlockingQueue
  • SynchronousQueue

ArrayBlockingQueue

数组阻塞队列 ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue 类实现了 BlockingQueue 接口。 ArrayBlockingQueue 是一个有界的阻塞队列，其内部实现是将对象放到一个数组里。有界也就意味着，它不能够存储无限多数量的元素。它有一个同一时间能够存储元素数量的上限。你可以在对其初始化的时候设定这个上限，但之后就无法对这个上限进行修改了(因为它是基于数组实现的，也就具有数组的特性：一旦初始化，大小就无法修改)。

ArrayBlockingQueue 内部以 FIFO(先进先出)的顺序对元素进行存储。队列中的头元素在所有元素之中是放入时间最久的那个，而尾元素则是最短的那个。

UML

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Ex.1


public class ArrayBlockingQueueEx {

    /**
     * 主线程
     * @param args
     * @throws InterruptedException
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(1024);
        Producer producer = new Producer(queue);
        Consumer consumer = new Consumer(queue);
        new Thread(producer).start();
        new Thread(consumer).start();
        Thread.sleep(4000);
    }


    /**
     * 消费者
     */
    static class Consumer implements Runnable {

        protected BlockingQueue queue;

        public Consumer(BlockingQueue queue) {
            this.queue = queue;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println(queue.take());
                System.out.println(queue.take());
                System.out.println(queue.take());
            } catch (Throwable e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }


    /**
     * 生产者
     */
    static class Producer implements Runnable {

        protected BlockingQueue queue;

        public Producer(BlockingQueue queue) {
            this.queue = queue;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                queue.put("1");
                Thread.sleep(1000);
                queue.put("2");
                Thread.sleep(1000);
                queue.put("3");
            } catch (Throwable e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

Ex.1.out

1
2
3

DelayQueue

延迟队列 DelayQueue

DelayQueue 实现了 BlockingQueue 接口。 DelayQueue 对元素进行持有直到一个特定的延迟到期。注入其中的元素必须实现
java.util.concurrent.Delayed 接口。

DelayQueue 将会在每个元素的 getDelay() 方法返回的值的时间段之后才释放掉该元素。如果返回的是 0 或者负值，延迟将被认为过期，该元素将会在 DelayQueue 的下一次 take 被调用的时候被释放掉。
传递给 getDelay 方法的 getDelay 实例是一个枚举类型，它表明了将要延迟的时间段。
TimeUnit 枚举将会取以下值：

枚举值 含义
DAYS 天
HOURS 小时
MINUTES 分钟
SECONDS 秒
MILLISECONDS 毫秒
MICROSECONDS 微秒
NANOSECONDS 纳秒

正如你所看到的，Delayed 接口也继承了 java.lang.Comparable 接口，这也就意味着 Delayed 对象之间可以进行对比。这个可能在对 DelayQueue 队列中的元素进行排序时有用，因此它们可以根据过期时间进行有序释放。

public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {

    /**
     * Returns the remaining delay associated with this object, in the
     * given time unit.
     *
     * @param unit the time unit
     * @return the remaining delay; zero or negative values indicate
     * that the delay has already elapsed
     */
    long getDelay(TimeUnit unit);
}

UML

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Ex.2

public class DelayQueueEx {

    /**
     * 测试Delay属性
     *
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        DelayQueue<DelayElement> queue = new DelayQueue<>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            long delay = Double.valueOf(Math.random() * 10000).longValue();
            queue.put(new DelayElement(delay, "task:" + i));
        }
        DelayElement ele = null;
        while (true) {
            try {
                if ((ele = queue.take()) != null) {
                    System.out.println(ele.toString());
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }


    /**
     * 延迟元素
     */
    @Getter
    @ToString
    static class DelayElement implements Delayed {

        /**
         * 延迟时间
         */
        long delay;
        /**
         * 到期时间
         */
        long expire;
        /**
         * 任务名称
         */
        String name;

        public DelayElement(long delay, String name) {
            this.delay = delay;
            this.name = name;
            this.expire = System.currentTimeMillis() + delay;
        }

        /**
         * Returns the remaining delay associated with this object, in the
         * given time unit.
         * 剩余时间 = 到期时间 - 当前时间
         *
         * @param unit the time unit
         * @return the remaining delay; zero or negative values indicate
         * that the delay has already elapsed
         */
        @Override
        public long getDelay(TimeUnit unit) {
            return unit.convert(this.expire - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
        }

        /**
         * Compares this object with the specified object for order.  Returns a
         * negative integer, zero, or a positive integer as this object is less
         * than, equal to, or greater than the specified object.
         *
         * <p>The implementor must ensure <tt>sgn(x.compareTo(y)) ==
         * -sgn(y.compareTo(x))</tt> for all <tt>x</tt> and <tt>y</tt>.  (This
         * implies that <tt>x.compareTo(y)</tt> must throw an exception iff
         * <tt>y.compareTo(x)</tt> throws an exception.)
         *
         * <p>The implementor must also ensure that the relation is transitive:
         * <tt>(x.compareTo(y)&gt;0 &amp;&amp; y.compareTo(z)&gt;0)</tt> implies
         * <tt>x.compareTo(z)&gt;0</tt>.
         *
         * <p>Finally, the implementor must ensure that <tt>x.compareTo(y)==0</tt>
         * implies that <tt>sgn(x.compareTo(z)) == sgn(y.compareTo(z))</tt>, for
         * all <tt>z</tt>.
         *
         * <p>It is strongly recommended, but <i>not</i> strictly required that
         * <tt>(x.compareTo(y)==0) == (x.equals(y))</tt>.  Generally speaking, any
         * class that implements the <tt>Comparable</tt> interface and violates
         * this condition should clearly indicate this fact.  The recommended
         * language is "Note: this class has a natural ordering that is
         * inconsistent with equals."
         *
         * <p>In the foregoing description, the notation
         * <tt>sgn(</tt><i>expression</i><tt>)</tt> designates the mathematical
         * <i>signum</i> function, which is defined to return one of <tt>-1</tt>,
         * <tt>0</tt>, or <tt>1</tt> according to whether the value of
         * <i>expression</i> is negative, zero or positive.
         *
         * @param o the object to be compared.
         * @return a negative integer, zero, or a positive integer as this object
         * is less than, equal to, or greater than the specified object.
         * @throws NullPointerException if the specified object is null
         * @throws ClassCastException   if the specified object's type prevents it
         *                              from being compared to this object.
         */
        @Override
        public int compareTo(Delayed o) {
            return Long.valueOf(this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) - o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)).intValue();
        }
    }
}

Ex.2.out

DelayQueueEx.DelayElement(delay=1167, expire=1566299775344, name=task:6)
DelayQueueEx.DelayElement(delay=1701, expire=1566299775877, name=task:1)
DelayQueueEx.DelayElement(delay=3548, expire=1566299777725, name=task:7)
DelayQueueEx.DelayElement(delay=6072, expire=1566299780249, name=task:9)
DelayQueueEx.DelayElement(delay=6701, expire=1566299780878, name=task:5)
DelayQueueEx.DelayElement(delay=7510, expire=1566299781686, name=task:0)
DelayQueueEx.DelayElement(delay=7652, expire=1566299781829, name=task:8)
DelayQueueEx.DelayElement(delay=8476, expire=1566299782653, name=task:3)
DelayQueueEx.DelayElement(delay=8771, expire=1566299782948, name=task:2)
DelayQueueEx.DelayElement(delay=8976, expire=1566299783153, name=task:4)

LinkedBlockingQueue

链阻塞队列 LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue 类实现了 BlockingQueue 接口。

LinkedBlockingQueue 内部以一个链式结构(链接节点)对其元素进行存储。如果需要的话，这一链式结构可以选择一个上限。如果没有定义上限，将使用 Integer.MAX_VALUE 作为上限。

LinkedBlockingQueue 内部以 FIFO(先进先出)的顺序对元素进行存储。队列中的头元素在所有元素之中是放入时间最久的那个，而尾元素则是最短的那个。

UML

[JUC] 阻塞队列 BlockingQueue
Ex.3

public class LinkedBlockingQueueEx {

    /**
     * 链阻塞队列
     * @param args
     * @throws InterruptedException
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue();
        Producer producer = new Producer(queue);
        Consumer consumer = new Consumer(queue);
        new Thread(producer).start();
        new Thread(consumer).start();
        Thread.sleep(4000);
    }
}

Ex.3.out

1
2
3

PriorityBlockingQueue

具有优先级的阻塞队列 PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue 类实现了 BlockingQueue 接口。

PriorityBlockingQueue 是一个***的并发队列。它使用了和类 java.util.PriorityQueue 一样的排序规则。你无法向这个队列中插入
null 值。

所有插入到 PriorityBlockingQueue 的元素必须实现 java.lang.Comparable 接口。因此该队列中元素的排序就取决于你自己的
Comparable 实现。

注意 ：

  • PriorityBlockingQueue 对于具有相等优先级(compare() == 0)的元素并不强制任何特定行为。
  • 如果你从一个 PriorityBlockingQueue 获得一个 Iterator 的话，该 Iterator 并不能保证它对元素的遍历是以优先级为序的。
    [JUC] 阻塞队列 BlockingQueue 
public class PriorityBlockingQueueEx {

    /**
     * 测试优先级队列 PriorityBlockingQueue
     * @param args
     * @throws InterruptedException
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockingQueue<Ele> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                int value = Double.valueOf(Math.random() * 10).intValue();
                try {
                    queue.put(new Ele(value));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        Thread.sleep(3000);

        new Thread(() -> {
            while (true) {
                try {
                    System.out.println(queue.take().toString());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }


    @Getter
    @AllArgsConstructor
    @ToString
    static class Ele implements Comparable<Ele> {

        int value;

        @Override
        public int compareTo(Ele o) {
            return this.getValue() - o.getValue();
        }
    }
}

PriorityBlockingQueueEx.Ele(value=1)
PriorityBlockingQueueEx.Ele(value=2)
PriorityBlockingQueueEx.Ele(value=2)
PriorityBlockingQueueEx.Ele(value=3)
PriorityBlockingQueueEx.Ele(value=3)
PriorityBlockingQueueEx.Ele(value=6)
PriorityBlockingQueueEx.Ele(value=6)
PriorityBlockingQueueEx.Ele(value=7)
PriorityBlockingQueueEx.Ele(value=8)
PriorityBlockingQueueEx.Ele(value=9)

SynchronousQueue

同步队列 SynchronousQueue

SynchronousQueue 类实现了 BlockingQueue 接口。

SynchronousQueue 是一个特殊的队列，它的内部同时只能够容纳单个元素。如果该队列已有一元素的话，试图向队列中插入一个新元素的线程将会阻塞，直到另一个线程将该元素从队列中抽走。同样，如果该队列为空，试图向队列中抽取一个元素的线程将会阻塞，直到另一个线程向队列中插入了一条新的元素。

据此，把这个类称作一个队列显然是夸大其词了。它更多像是一个汇合点。

public class SynchronousQueueEx {

    /**
     * 同步队列测试
     *
     * @param args
     * @throws InterruptedException
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockingQueue<Ele> queue = new SynchronousQueue<>();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                int value = Double.valueOf(Math.random() * 10).intValue();
                try {
                    Ele ele = new Ele(value);
                    queue.put(ele);
                    System.out.println(String.format("[%s] try put: %s", Thread.currentThread().getName(), ele.toString()));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        thread1.start();
        Thread.sleep(3000);
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            while (true) {
                try {
                    Ele take = queue.take();
                    System.out.println(String.format("[%s] try take: %s", Thread.currentThread().getName(), take.toString()));
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        thread2.start();
    }

    @Getter
    @AllArgsConstructor
    @ToString
    static class Ele {
        int value;
    }
}

[Thread-0] try put: SynchronousQueueEx.Ele(value=9)
[Thread-1] try take: SynchronousQueueEx.Ele(value=9)
[Thread-1] try take: SynchronousQueueEx.Ele(value=5)
[Thread-0] try put: SynchronousQueueEx.Ele(value=5)
[Thread-0] try put: SynchronousQueueEx.Ele(value=2)
[Thread-1] try take: SynchronousQueueEx.Ele(value=2)
[Thread-0] try put: SynchronousQueueEx.Ele(value=4)
[Thread-1] try take: SynchronousQueueEx.Ele(value=4)
[Thread-0] try put: SynchronousQueueEx.Ele(value=6)
[Thread-1] try take: SynchronousQueueEx.Ele(value=6)
[Thread-1] try take: SynchronousQueueEx.Ele(value=9)
[Thread-0] try put: SynchronousQueueEx.Ele(value=9)
[Thread-1] try take: SynchronousQueueEx.Ele(value=3)
[Thread-0] try put: SynchronousQueueEx.Ele(value=3)
[Thread-1] try take: SynchronousQueueEx.Ele(value=8)
[Thread-0] try put: SynchronousQueueEx.Ele(value=8)
[Thread-1] try take: SynchronousQueueEx.Ele(value=7)
[Thread-0] try put: SynchronousQueueEx.Ele(value=7)
[Thread-0] try put: SynchronousQueueEx.Ele(value=7)
[Thread-1] try take: SynchronousQueueEx.Ele(value=7)

从日志输出可以看出同步队列中的元素每次取完后才会再次put进去，如果没被取走的情况下，put会被阻塞。

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