【Java并发之】BlockingQueue

本文主要讲的是并发包中涉及到的集合,关于普通集合,请参考【java 集合概览

一、什么是BlockingQueue

BlockingQueue即阻塞队列,从阻塞这个词可以看出,在某些情况下对阻塞队列的访问可能会造成阻塞。被阻塞的情况主要有如下两种:

1. 当队列满了的时候进行入队列操作
2. 当队列空了的时候进行出队列操作

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,它将会被阻塞,除非有另一个线程做了出队列操作;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,除非有另一个线程进行了入队列操作。

在Java中,BlockingQueue的接口位于java.util.concurrent 包中(在Java5版本开始提供),由上面介绍的阻塞队列的特性可知,阻塞队列是线程安全的。

二、BlockingQueue的用法

阻塞队列主要用在生产者/消费者的场景,下面这幅图展示了一个线程生产、一个线程消费的场景:

【Java并发之】BlockingQueue

负责生产的线程不断的制造新对象并插入到阻塞队列中,直到达到这个队列的上限值。队列达到上限值之后生产线程将会被阻塞,直到消费的线程对这个队列进行消费。同理,负责消费的线程不断的从队列中消费对象,直到这个队列为空,当队列为空时,消费线程将会被阻塞,除非队列中有新的对象被插入。

三、BlockingQueue接口中的方法

阻塞队列一共有四套方法分别用来进行insertremoveexamine,当每套方法对应的操作不能马上执行时会有不同的反应,下面这个表格就分类列出了这些方法:
asdf

- Throws Exception Special Value Blocks Times Out
Insert add(o) offer(o) put(o) offer(o, timeout, timeunit)
Remove remove(o) poll() take() poll(timeout, timeunit)
Examine element() peek()

这四套方法对应的特点分别是:

1. ThrowsException:如果操作不能马上进行,则抛出异常
2. SpecialValue:如果操作不能马上进行,将会返回一个特殊的值,一般是true或者false
3. Blocks:如果操作不能马上进行,操作会被阻塞
4. TimesOut:如果操作不能马上进行,操作会被阻塞指定的时间,如果指定时间没执行,则返回一个特殊值,一般是true或者false

需要注意的是,我们不能向BlockingQueue中插入null,否则会报NullPointerException

四、BlockingQueue的实现类

BlockingQueue只是java.util.concurrent包中的一个接口,而在具体使用时,我们用到的是它的实现类,当然这些实现类也位于java.util.concurrent包中。在Java6中,BlockingQueue的实现类主要有以下几种:

1. ArrayBlockingQueue
2. DelayQueue
3. LinkedBlockingQueue
4. PriorityBlockingQueue
5. SynchronousQueue

下面我们就分别介绍这几个实现类。

4.1 ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个有边界的阻塞队列,它的内部实现是一个数组。有边界的意思是它的容量是有限的,我们必须在其初始化的时候指定它的容量大小,容量大小一旦指定就不可改变。

ArrayBlockingQueue是以先进先出的方式存储数据,最新插入的对象是尾部,最新移出的对象是头部。下面是一个初始化和使用ArrayBlockingQueue的例子:

BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(1024);
queue.put("1");
Object object = queue.take();

4.2 DelayQueue

DelayQueue阻塞的是其内部元素,DelayQueue中的元素必须实现 java.util.concurrent.Delayed接口,这个接口的定义非常简单:

public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
long getDelay(TimeUnit unit);
}

getDelay()方法的返回值就是队列元素被释放前的保持时间,如果返回0或者一个负值,就意味着该元素已经到期需要被释放,此时DelayedQueue会通过其take()方法释放此对象。

从上面Delayed 接口定义可以看到,它还继承了Comparable接口,这是因为DelayedQueue中的元素需要进行排序,一般情况,我们都是按元素过期时间的优先级进行排序。

例1:为一个对象指定过期时间

首先,我们先定义一个元素,这个元素要实现Delayed接口

public class DelayedElement implements Delayed {
  private long expired;
  private long delay;
  private String name;

  DelayedElement(String elementName, long delay) {
         this. name = elementName;
         this. delay= delay;
         expired = ( delay + System. currentTimeMillis());
  }

  @Override
  public int compareTo(Delayed o) {
        DelayedElement cached=(DelayedElement) o;
         return cached.getExpired()> expired?1:-1;
  }

  @Override
  public long getDelay(TimeUnit unit) {

         return ( expired - System. currentTimeMillis());
  }

  @Override
  public String toString() {
         return "DelayedElement [delay=" + delay + ", name=" + name + "]";
  }

  public long getExpired() {
         return expired;
  }

}

设置这个元素的过期时间为3s

public class DelayQueueExample {
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        DelayQueue<DelayedElement> queue= new DelayQueue<>();
        DelayedElement ele= new DelayedElement( "cache 3 seconds",3000);
         queue.put( ele);
        System. out.println( queue.take());

  }

}

运行这个main函数,我们可以发现,我们需要等待3s之后才会打印这个对象。

其实DelayQueue应用场景很多,比如定时关闭连接、缓存对象,超时处理等各种场景,下面我们就拿学生考试为例让大家更深入的理解DelayQueue的使用。

例2:把所有考试的学生看做是一个DelayQueue,谁先做完题目释放谁

首先,我们构造一个学生对象

public class Student implements Runnable,Delayed{
  private String name;  //姓名
  private long costTime;//做试题的时间
  private long finishedTime;//完成时间

  public Student(String name, long costTime) {
         this. name = name;
         this. costTime= costTime;
         finishedTime = costTime + System. currentTimeMillis();
  }

  @Override
  public void run() {
        System. out.println( name + " 交卷,用时" + costTime /1000);
  }

  @Override
  public long getDelay(TimeUnit unit) {
         return ( finishedTime - System. currentTimeMillis());
  }

  @Override
  public int compareTo(Delayed o) {
        Student other = (Student) o;
         return costTime >= other. costTime?1:-1;
  }

}

然后在构造一个教师对象对学生进行考试

public class Teacher {
  static final int STUDENT_SIZE = 30;
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Random r = new Random();
        //把所有学生看做一个延迟队列
        DelayQueue<Student> students = new DelayQueue<Student>();
        //构造一个线程池用来让学生们“做作业”
        ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(STUDENT_SIZE);
         for ( int i = 0; i < STUDENT_SIZE; i++) {
               //初始化学生的姓名和做题时间
               students.put( new Student( "学生" + (i + 1), 3000 + r.nextInt(10000)));
        }
        //开始做题
        while(! students.isEmpty()){
               exec.execute( students.take());
        }
         exec.shutdown();
  }
}

我们看一下运行结果:

学生2 交卷,用时3
学生1 交卷,用时5
学生5 交卷,用时7
学生4 交卷,用时8
学生3 交卷,用时11

通过运行结果我们可以发现,每个学生在指定开始时间到达之后就会“交卷”(取决于getDelay()方法),并且是先做完的先交卷(取决于compareTo()方法)。

通过查看其源码可以看到,DelayQueue内部实现用的是PriorityQueue和一个Lock:

【Java并发之】BlockingQueue

4.3 LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue阻塞队列大小的配置是可选的,如果我们初始化时指定一个大小,它就是有边界的,如果不指定,它就是无边界的。说是无边界,其实是采用了默认大小为Integer.MAX_VALUE的容量 。它的内部实现是一个链表。

和ArrayBlockingQueue一样,LinkedBlockingQueue 也是以先进先出的方式存储数据,最新插入的对象是尾部,最新移出的对象是头部。下面是一个初始化和使LinkedBlockingQueue的例子:

BlockingQueue<String> unbounded = new LinkedBlockingQueue<String>();
BlockingQueue<String> bounded   = new LinkedBlockingQueue<String>(1024);
bounded.put("Value");
String value = bounded.take();

4.4 PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个没有边界的队列,它的排序规则和 java.util.PriorityQueue一样。需要注意,PriorityBlockingQueue中允许插入null对象。

所有插入PriorityBlockingQueue的对象必须实现 java.lang.Comparable接口,队列优先级的排序规则就是按照我们对这个接口的实现来定义的。

另外,我们可以从PriorityBlockingQueue获得一个迭代器Iterator,但这个迭代器并不保证按照优先级顺序进行迭代。

下面我们举个例子来说明一下,首先我们定义一个对象类型,这个对象需要实现Comparable接口:

public class PriorityElement implements Comparable<PriorityElement> {
private int priority;//定义优先级
PriorityElement(int priority) {
    //初始化优先级
    this.priority = priority;
}
@Override
public int compareTo(PriorityElement o) {
    //按照优先级大小进行排序
    return priority >= o.getPriority() ? 1 : -1;
}
public int getPriority() {
    return priority;
}
public void setPriority(int priority) {
    this.priority = priority;
}
@Override
public String toString() {
    return "PriorityElement [priority=" + priority + "]";
}
}

然后我们把这些元素随机设置优先级放入队列中

public class PriorityBlockingQueueExample {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    PriorityBlockingQueue<PriorityElement> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        Random random=new Random();
        PriorityElement ele = new PriorityElement(random.nextInt(10));
        queue.put(ele);
    }
    while(!queue.isEmpty()){
        System.out.println(queue.take());
    }
}
}

看一下运行结果:

PriorityElement [priority=3]
PriorityElement [priority=4]
PriorityElement [priority=5]
PriorityElement [priority=8]
PriorityElement [priority=9]

4.5 SynchronousQueue

SynchronousQueue队列内部仅允许容纳一个元素。当一个线程插入一个元素后会被阻塞,除非这个元素被另一个线程消费。

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