10分鐘從實現和使用場景聊聊併發包下的阻塞隊列

来源:https://www.cnblogs.com/caicaiJava/archive/2023/09/09/17690142.html
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上篇文章12分鐘從Executor自頂向下徹底搞懂線程池中我們聊到線程池，而線程池中包含阻塞隊列 這篇文章我們主要聊聊併發包下的阻塞隊列 阻塞隊列 什麼是隊列？ 隊列的實現可以是數組、也可以是鏈表，可以實現先進先出的順序隊列，也可以實現先進後出的棧隊列 那什麼是阻塞隊列？ 在經典的生產者/消費者模型 ...


上篇文章12分鐘從Executor自頂向下徹底搞懂線程池中我們聊到線程池，而線程池中包含阻塞隊列

這篇文章我們主要聊聊併發包下的阻塞隊列

阻塞隊列

什麼是隊列？

隊列的實現可以是數組、也可以是鏈表，可以實現先進先出的順序隊列，也可以實現先進後出的棧隊列

那什麼是阻塞隊列？

在經典的生產者/消費者模型中，生產者們將生產的元素放入隊列，而消費者們從隊列獲取元素消費

當隊列已滿，我們會手動阻塞生產者，直到消費者消費再來手動喚醒生產者

當隊列為空，我們會手動阻塞消費者，直到生產者生產再來手動喚醒消費者

在這個過程中由於使用的是普通隊列，阻塞與喚醒我們需要手動操作，保證同步機制

阻塞隊列在隊列的基礎上提供等待/通知功能，用於線程間的通信，避免線程競爭死鎖

生產者可以看成往線程池添加任務的用戶線程，而消費者則是線程池中的工作線程

當阻塞隊列為空時阻塞工作線程獲取任務，當阻塞隊列已滿時阻塞用戶線程向隊列中添加任務（創建非核心線程、拒絕策略）

API

阻塞隊列提供一下四種添加、刪除元素的API，我們常用阻塞等待/超時阻塞等待的API

方法名 拋出異常 返回true/false 阻塞等待 超時阻塞等待
添加 add(Object) offer(Object) put(Object) offer(Object,long,TimeUnit)
刪除 remove() poll() take() poll(long,TimeUnit)
  1. 拋出異常:隊滿add 拋出異常IllegalStateExceptio ；隊空remove 拋出異常NoSuchElementException
  2. 返回值: 隊滿offer返回false，隊空poll返回null
  3. 阻塞等待: 隊滿時put會阻塞線程 或 隊空時take會阻塞線程
  4. 超時阻塞等待: 在阻塞等待、返回true/false的基礎上增加超時等待（等待一定時間就退出等待）
阻塞隊列的公平與不公平

什麼是阻塞隊列的公平與不公平？

當阻塞隊列已滿時，如果是公平的，那麼阻塞的線程根據先後順序從阻塞隊列中獲取元素，不公平則反之

實際上阻塞隊列的公平與不公平，要看實現阻塞隊列的鎖是否公平

阻塞隊列一般預設使用不公平鎖

ArrayBlockingQueue

從名稱看就可以知道它是數組實現的，我們先來看看它有哪些重要欄位

 public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
         implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
 ​
     //存儲元素的數組
     final Object[] items;
 ​
     //記錄元素出隊的下標
     int takeIndex;
 ​
     //記錄元素入隊的下標
     int putIndex;
 ​
     //隊列中元素數量
     int count；
 ​
     //使用的鎖
     final ReentrantLock lock;
 ​
     //出隊的等待隊列，作用於消費者
     private final Condition notEmpty;
 ​
     //入隊的等待隊列，作用於生產者
     private final Condition notFull;
     
 }

看完關鍵欄位，我們可以知道：ArrayBlockingQueue由數組實現、使用併發包下的可重入鎖、同時用兩個等待隊列作用生產者和消費者

為什麼出隊、入隊要使用兩個下標記錄？

實際上它是一個環形數組，在初始化後就不改變大小，後續查看源碼自然能明白它是環形數組

在構造器中、初始化數組容量，同時使用非公平鎖

     public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
         this(capacity, false);
     }
 ​
     public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
         if (capacity <= 0)
             throw new IllegalArgumentException();
         this.items = new Object[capacity];
         //鎖是否為公平鎖
         lock = new ReentrantLock(fair);
         notEmpty = lock.newCondition();
         notFull =  lock.newCondition();
     }

ArrayBlockingQueue的公平性是由ReentrantLock來實現的

我們來看看入隊方法，入隊方法都大同小異，我們本文都查看支持超時、響應中斷的方法

     public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
         throws InterruptedException {
         //檢查空指針
         checkNotNull(e);
         //獲取超時納秒
         long nanos = unit.toNanos(timeout);
         final ReentrantLock lock = this.lock;
         //加鎖
         lock.lockInterruptibly();
         try {
             //如果隊列已滿
             while (count == items.length) {
                 //超時則返回入隊失敗，否則生產者等待對應時間
                 if (nanos <= 0)
                     return false;
                 nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
             }
             //入隊
             enqueue(e);
             return true;
         } finally {
             //解鎖
             lock.unlock();
         }
     }

直接使用可重入鎖保證同步，如果隊列已滿，在此期間判斷是否超時，超時就返回，未超時等待；未滿則執行入隊方法

     private void enqueue(E x) {
         //隊列數組
         final Object[] items = this.items;
         //往入隊下標添加值
         items[putIndex] = x;
         //自增入隊下標 如果已滿則定位到0 成環
         if (++putIndex == items.length)
             putIndex = 0;
         //統計數量增加
         count++;
         //喚醒消費者
         notEmpty.signal();
     }

在入隊中，主要是添加元素、修改下次添加的下標、統計隊列中的元素和喚醒消費者，到這以及可以說明它的實現是環形數組

ArrayBlockingQueue由環形數組實現的阻塞隊列，固定容量不支持動態擴容，使用非公平的ReertrantLock保證入隊、出隊操作的原子性，使用兩個等待隊列存儲等待的生產者、消費者，適用於在併發量不大的場景

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue從名稱上來看，就是使用鏈表實現的，我們來看看它的關鍵欄位

 public class LinkedBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
         implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
     //節點
     static class Node<E> {
         //存儲元素
         E item;
 ​
         //下一個節點
         Node<E> next;
         
         //...
     }
 ​
     //容量上限
     private final int capacity;
 ​
     //隊列元素數量
     private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
 ​
     //頭節點
     transient Node<E> head;
 ​
     //尾節點
     private transient Node<E> last;
 ​
     //出隊的鎖
     private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
 ​
     //出隊的等待隊列
     private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
 ​
     //入隊的鎖
     private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
 ​
     //入隊的等待隊列
     private final Condition notFull = putLock.newCondition();
 }

從欄位中，我們可以知道它使用單向鏈表的節點、且用首尾節點記錄隊列的頭尾，並且它使用兩把鎖、兩個等待隊列作用於隊頭、尾，與ArrayBlockingQueue相比能夠增加併發性能

有個奇怪的地方：都使用鎖了，為什麼記錄元素數量count卻使用原子類呢？

這是由於兩把鎖，作用於入隊與出隊的操作，入隊與出隊也可能併發執行，同時修改count，因此要使用原子類保證修改數量的原子性

在初始化時需要設置容量大小，否則會設置成無界的阻塞隊列（容量是int的最大值）

當消費速度小於生產速度時，阻塞隊列中會堆積任務，進而導致容易發生OOM

     public LinkedBlockingQueue() {
         this(Integer.MAX_VALUE);
     }
 ​
     public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
         if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
         this.capacity = capacity;
         last = head = new Node<E>(null);
     }

來看看入隊操作

     public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
         throws InterruptedException {
 ​
         if (e == null) throw new NullPointerException();
         long nanos = unit.toNanos(timeout);
         int c = -1;
         final ReentrantLock putLock = this.putLock;
         final AtomicInteger count = this.count;
         //加鎖
         putLock.lockInterruptibly();
         try {
             //隊列已滿，超時返回，不超時等待
             while (count.get() == capacity) {
                 if (nanos <= 0)
                     return false;
                 nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
             }
             //入隊
             enqueue(new Node<E>(e));
             // 先獲取再自增 c中存儲的是舊值
             c = count.getAndIncrement();
             //如果數量沒滿 喚醒生產者
             if (c + 1 < capacity)
                 notFull.signal();
         } finally {
             //解鎖
             putLock.unlock();
         }
         //如果舊值為0 說明該入隊操作前是空隊列，喚醒消費者來消費
         if (c == 0)
             signalNotEmpty();
         return true;
     }

入隊操作類似，只不過在此期間如果數量沒滿喚醒生產者生產，隊列為空喚醒消費者來消費，從而增加併發性能

入隊只是改變指向關係

     //添加節點到末尾
     private void enqueue(Node<E> node) {
         last = last.next = node;
     }

喚醒消費者前要先獲取鎖

     private void signalNotEmpty() {
         final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
         takeLock.lock();
         try {
             notEmpty.signal();
         } finally {
             takeLock.unlock();
         }
     }

出隊操作也類似

     public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
         E x = null;
         int c = -1;
         long nanos = unit.toNanos(timeout);
         final AtomicInteger count = this.count;
         final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
         takeLock.lockInterruptibly();
         try {
             // 隊列為空 超時返回空，否則等待
             while (count.get() == 0) {
                 if (nanos <= 0)
                     return null;
                 nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
             }
             //出隊
             x = dequeue();
             c = count.getAndDecrement();
             //隊列中除了當前線程獲取的任務外還有任務就去喚醒消費者消費
             if (c > 1)
                 notEmpty.signal();
         } finally {
             takeLock.unlock();
         }
         //原來隊列已滿就去喚醒生產者 生產
         if (c == capacity)
             signalNotFull();
         return x;
     }

LinkedBlockingQueue與ArrayBlockingQueue的出隊、入隊實現類似

只不過LinkedBlockingQueue入隊、出隊獲取/釋放的鎖不同，並且在此過程中不同情況回去喚醒其他的生產者、消費者從而進一步提升併發性能

LinkedBlockingQueue 由單向鏈表實現的阻塞隊列，記錄首尾節點；預設是無界、非公平的阻塞隊列（初始化時要設置容量否則可能OOM），使用兩把鎖、兩個等待隊列，分別操作入隊、出隊的生產者、消費者，在入隊、出隊操作期間不同情況還會去喚醒生產者、消費者，從而進一步提升併發性能，適用於併發量大的場景

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque實現與LinkedBlockQueue類似，在LinkedBlockQueue的基礎上支持從隊頭、隊尾進行添加、刪除的操作

它是一個雙向鏈表，帶有一系列First、Last的方法，比如：offerLast、pollFirst

由於LinkedBlockingDeque雙向，常用其來實現工作竊取演算法，從而減少線程的競爭

什麼是工作竊取演算法？

比如多線程處理多個阻塞隊列的任務（一一對應），每個線程從隊頭獲取任務處理，當A線程處理完它負責的阻塞隊列所有任務時，它再從隊尾竊取其他阻塞隊列的任務，這樣就不會發生競爭，除非隊列中只剩一個任務，才會發生競爭

ForkJoin框架就使用其來充當阻塞隊列，我們後文再聊這個框架

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是優先順序排序的無界阻塞隊列，阻塞隊列按照優先順序進行排序

使用堆排序，具體排序演算法由Comparable或Comparator實現比較規則

  1. 預設：泛型中的對象需要實現Comparable比較規則 ，根據compareTo方法規則排序
  2. 構造器中指定比較器Comparator 根據比較器規則排序
     @Test
     public void testPriorityBlockingQeque() {
         //預設使用Integer實現Comparable的升序
         PriorityBlockingQueue<Integer> queue = new PriorityBlockingQueue<>(6);
         queue.offer(99);
         queue.offer(1099);
         queue.offer(299);
         queue.offer(992);
         queue.offer(99288);
         queue.offer(995);
         //99 299 992 995 1099 99288
         while (!queue.isEmpty()){
             System.out.print(" "+queue.poll());
         }
 ​
         System.out.println();
         //指定Comparator 降序
         queue = new PriorityBlockingQueue<>(6, (o1, o2) -> o2-o1);
         queue.offer(99);
         queue.offer(1099);
         queue.offer(299);
         queue.offer(992);
         queue.offer(99288);
         queue.offer(995);
         //99288 1099 995 992 299 99
         while (!queue.isEmpty()){
             System.out.print(" "+queue.poll());
         }
     }

適用於需要根據優先順序排序處理的場景

DelayQueue

Delay是一個延時獲取元素的無界阻塞隊列， 延時最長排在隊尾

Delay隊列元素實現Delayed介面通過getDelay獲取延時時間

 public class DelayQueue<E extends Delayed> extends AbstractQueue<E>
     implements BlockingQueue<E> {
 }
 ​
 public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
     long getDelay(TimeUnit unit);
 }

DelayQueue應用場景

  1. 緩存系統的設計：DelayQueue存放緩存有效期，當可以獲取到元素時，說明緩存過期
  2. 定時任務調度： 將定時任務的時間設置為延時時間，一旦可以獲取到任務就開始執行

以定時線程池ScheduledThreadPoolExecutor的定時任務ScheduledFutureTask為例，它實現Delayed獲取延遲執行的時間

image.png

  1. 創建對象時,初始化數據

             ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
             super(r, result);
             //time記錄當前對象延遲到什麼時候可以使用,單位是納秒
             this.time = ns;
             this.period = period;
             //sequenceNumber記錄元素在隊列中先後順序  sequencer原子自增
             //AtomicLong sequencer = new AtomicLong();
             this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
         }

  2. 實現Delayed介面的getDelay方法

     public long getDelay(TimeUnit unit) {
     return unit.convert(time - now(), NANOSECONDS);
 }

  3. Delay介面繼承了Comparable介面，目的是要實現compareTo方法來繼續排序

             public int compareTo(Delayed other) {
             if (other == this) // compare zero if same object
                 return 0;
             if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
                 ScheduledFutureTask<?> x = (ScheduledFutureTask<?>)other;
                 long diff = time - x.time;
                 if (diff < 0)
                     return -1;
                 else if (diff > 0)
                     return 1;
                 else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)
                     return -1;
                 else
                     return 1;
             }
             long diff = getDelay(NANOSECONDS) - other.getDelay(NANOSECONDS);
             return (diff < 0) ? -1 : (diff > 0) ? 1 : 0;
         }

SynchronousQueue

SynchronousQueue是一個預設下支持非公平不存儲元素的阻塞隊列

每個put操作要等待一個take操作,否則不能繼續添加元素會阻塞

使用公平鎖

     @Test
     public void testSynchronousQueue() throws InterruptedException {
         final SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue(true);
         new Thread(() -> {
             try {
                 queue.put(1);
                 queue.put(2);
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
         }, "put12線程").start();
 ​
         new Thread(() -> {
             try {
                 queue.put(3);
                 queue.put(4);
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
         }, "put34線程").start();
 ​
         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿出" + queue.take());
         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿出" + queue.take());
         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿出" + queue.take());
         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿出" + queue.take());
     }
 //結果 因為使用公平鎖 1在2前，3在4前
 //main拿出1
 //main拿出3
 //main拿出2
 //main拿出4

SynchronousQueue隊列本身不存儲元素，負責把生產者的數據傳遞給消費者，適合傳遞性的場景

在該場景下吞吐量會比ArrayBlockingQueue，LinkedBlockingQueue高

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一個鏈表組成的無界阻塞隊列，擁有transfer()和tryTransfer()方法

transfer()

如果有消費者在等待接收元素，transfer(e)會把元素e傳輸給消費者

如果沒有消費者在等待接收元素，transfer(e)會將元素e存放在隊尾，直到有消費者獲取了才返回

     @Test
     public void testTransfer() throws InterruptedException {
         LinkedTransferQueue queue = new LinkedTransferQueue();
         new Thread(()->{
             try {
                 //阻塞直到被獲取
                 queue.transfer(1);
                 //生產者放入的1被取走了
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"放入的1被取走了");
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
         },"生產者").start();
 ​
         TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
         //main取出隊列中的元素
         System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"取出隊列中的元素");
         queue.poll();
     }

tryTransfer()無論消費者是否消費都直接返回

     @Test
     public void testTryTransfer() throws InterruptedException {
         LinkedTransferQueue<Integer> queue = new LinkedTransferQueue<>();
         //false
         System.out.println(queue.tryTransfer(1));
         //null
         System.out.println(queue.poll());
 ​
         new Thread(()->{
             try {
                 //消費者取出2
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"取出"+queue.poll(2, TimeUnit.SECONDS));
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
         },"消費者").start();
         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
         //true
         System.out.println(queue.tryTransfer(2));
     }

tryTransfer(long,TimeUnit) 在超時時間內消費者消費元素返回true，反之返回false

總結

ArrayBlockingQueue由環形數組實現，固定容量無法擴容，使用非公平的可重入鎖鎖、兩個等待隊列操作入隊、出隊操作，適合併發小的場景

LinkedBlockingQueue由單向鏈表實現，預設無界，使用兩個可重入鎖、兩個等待隊列進行入隊、出隊操作，併在此期間可能喚醒生產者或消費者線程，以此提高併發性能

LinkedBlockingDeque由雙向鏈表實現，在LinkedBlockingQueue的基礎上，能夠在隊頭、隊尾都進行添加、刪除操作，適用工作竊取演算法1

PriorityBlockingQueue由堆排序實現的優先順序隊列，具體排序演算法由Comparable、Comparator來實現，適用於需要根據優先順序排序處理任務的場景

DelayQueue 是一個延時隊列，隊列中存儲的元素需要實現Delayed介面來獲取延時時間，適用於緩存失效、定時任務的場景

SynchronousQueue不存儲元素，只將生產者生產的元素傳遞給消費者， 適用於傳遞性的場景，比如不同線程間傳遞數據

LinkedTransgerQueue是傳輸形的阻塞隊列，適用於單個元素傳遞的場景

在使用無界的阻塞隊列時，需要設置容量，避免存儲任務太多導致OOM

最後（不要白嫖，一鍵三連求求拉~）

本篇文章被收入專欄 由點到線，由線到面，深入淺出構建Java併發編程知識體系，感興趣的同學可以持續關註喔

本篇文章筆記以及案例被收入 gitee-StudyJava、 github-StudyJava 感興趣的同學可以stat下持續關註喔~

案例地址：

Gitee-JavaConcurrentProgramming/src/main/java/E_BlockQueue

Github-JavaConcurrentProgramming/src/main/java/E_BlockQueue

有什麼問題可以在評論區交流，如果覺得菜菜寫的不錯，可以點贊、關註、收藏支持一下~

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