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# BlockingQueue 阻塞队列是什么

  • 队列(Queue),是一种特殊的线性表,它只允许在表的前端进行删除操作,而在表的后端进行插入操作。
  • 阻塞与非阻塞,关注的是程序在等待调用结果(消息,返回值)时的状态.
    • 阻塞调用是指调用结果返回之前,当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。
    • 非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前,该调用不会阻塞当前线程。

阻塞队列(BlockingQueue 接口)是一个支持阻塞的插入和移除方法的队列,主要采用锁实现。

  • 支持阻塞的插入方法 : 意思是当队列满时,队列会阻塞插入元素的线程,直到队列不满
  • 支持阻塞的移除方法 : 意思是在队列为空时,获取元素的线程会等待队列变为非空

# BlockingQueue 接口相关方法说明

# 抛出异常的操作方法

  • add 方法:插入列尾,当队列满时,会抛出 IllegalStateException 异常。
  • remove 方法:返回并移除队列头,当队列为空时,从队列里获取元素会抛出 NoSuchElementException 异常。
  • element 方法:返回队列头(不移除),当队列满时,会抛出 IllegalStateException 异常。

# 返回特殊值的操作方法

  • offer 方法:插入列尾,成功返回 true。
  • poll 方法:返回并移除队列头,如果没有元素则返回 null。
  • peek 方法:返回队列头(不移除),如果没有元素则返回 null。

# 一直阻塞的操作方法

  • put 方法:插入列尾,当队列满时阻塞等待,直到队列可用或者响应中断退出。
  • take 方法:返回并移除队列头,当队列为空时阻塞等待,直到队列可用或者响应中断退出。

方便记忆的规律:

  • put 和 take 分别尾首含有字母 t。【他们会等啊】(t 打头)
  • offer 和 poll 都含有字母 o。【哦,没异常啊】(o 打头)

# BlockingQueue 接口的实现类有哪些

类图关系-BlockingQueue

JDK1.8 提供了 7 个阻塞队列,如下:

  • ArrayBlockingQueue : 数组结构组成的有界阻塞队列
  • LinkedBlockingQueue : 链表结构组成的有界阻塞队列
  • PriorityBlockingQueue : 支持优先级排序的无界阻塞队列
  • DelayQueue : 支持延时获取元素的无界阻塞队列
  • SynchronousQueue : 不存储元素的阻塞队列
  • LinkedTransferQueue : 由链表结构组成的无界阻塞队列
  • LinkedBlockingDeque : 由链表结构组成的双向阻塞队列

下面章节将一一介绍各个实现类的特性、实现原理、注意事项、应用场景

# ArrayBlockingQueue-数组、有界

一个用数组实现的有界阻塞队列。此队列按照先进先出 (FIFO) 的原则对元素进行排序。

  • 特性:

    • 支持公平、非公平选择
  • 实现原理

    • 内部维护一个 Object[] items 数组
    • 使用 ReentrantLock 锁、 2 个 Condition 条件(notEmpty、notFull)完成并发访问
    • 对该队列的数组操作使用 ReentrantLock 加锁解锁,阻塞条件使用 Condition 等待通知机制完成

# LinkedBlockingQueue-链表、有界

一个用链表实现的有界阻塞队列。此队列的默认和最大长度为 Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。

实现原理:

  • 内部维护链表的头节点、尾节点
  • 使用 ReentrantLock putLock 、Condition notFull 管理入队操作
  • 使用 ReentrantLock takeLock 、Condition notEmpty 管理出队操作
  • 完全的生产者消费者模式的实现

# PriorityBlockingQueue-优先级排序、无界

一个支持优先级的无界阻塞队列。默认情况下元素采取自然顺序升序排列。也可以自定义类实现 compareTo() 方法来指定元素排序规则,或者初始化 PriorityBlockingQueue 时,指定构造参数 Comparator 来对元素进行排序。需要注意的是不能保证同优先级元素的顺序。

实现原理:

  • 内部维护一个 Object[] items 数组
  • 使用 ReentrantLock lock 、Condition notEmpty 管理入队出队操作(因为无界,无需 notFull 条件)
  • 入队时,判断是否需要扩容,插入数组(重新排序(最小堆))
  • 出队时,移除下标为 0 的数据(列头),重新排序

# DelayQueue-延时获取、无界

一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用 PriorityQueue 来实现。

队列中的元素必须实现 Delayed 接口,在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。

实现原理:

  • 内部维护一个 PriorityQueue(支持排序的队列实现类)
  • 使用 ReentrantLock lock 、Condition available 管理入队出队操作(因为无界,无需 notFull 条件)
  • 入队时,数据添加至 PriorityQueue 队列,判断当前头节点是否等于添加的数据,如果不是唤醒出队操作
  • 出队时,for 循环自旋,取出头节点如果达到执行时间即返回,否则进入等待

# SynchronousQueue-不存储元素

一个不存储元素的阻塞队列。每一个 put 操作必须等待一个 take 操作,否则不能继续添加元素。

SynchronousQueue 可以看成是一个传球手,负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。队列本身并不存储任何元素,非常适合传递性场景。SynchronousQueue 的吞吐量高于 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

  • 特性:
    • 支持公平、非公平选择
  • 实现原理,源码解读参考 SynchronousQueue

# LinkedTransferQueue-链表、无界

一个由链表结构组成的无界阻塞 TransferQueue 队列。相对于其他阻塞队列,LinkedTransferQueue 多了 tryTransfer 和 transfer 方法。

方法解读:

  • transfer 方法 :可以把生产者传入的元素立刻"传输"给消费者。如果没有消费者在等待接收元素,transfer 方法会将元素存放在队列的 tail 节点,并等到该元素被消费者消费了才返回
  • tryTransfer 方法 : 用来试探生产者传入的元素是否能直接传给消费者。如果没有消费者等待接收元素,则返回 false。

transfer 和 transfer 方法的区别: tryTransfer 方法无论消费者是否接收,方法立即返回,而 transfer 方法是必须等到消费者消费了才返回。

# LinkedBlockingDeque-链表、双向阻塞队列

一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的是可以从队列的两端插入和移出元素。双向队列因为多了一个操作队列的入口,在多线程同时入队时,也就减少了一半的竞争。

相比其他的阻塞队列,LinkedBlockingDeque 多了 addFirst、 addLast、offerFirst、offerLast、peekFirst 和 peekLast 等方法,以 First 单词结尾的方法,表示插入、获取 (peek) 或移除双端队列的第一个元素。 以 Last 单词结尾的方法,表示插入、获取或移除双端队列的最后一个元素。 另外,插入方法 add 等同于 addLast,移除方法 remove 等效于 removeFirst。 但是 take 方法却等同于 takeFirst,不知道是不是 JDK 的 bug,使用时还是用带有 First 和 Last 后缀的方法更清楚。

# 应用场景

  • 生产消费者模型

其实实际程序处理中,绝大多数场景都可以抽象为,"数据源-> 数据处理-> 数据消费" 过程,把这个过程无限的组合起来就是我们的程序。

最后修改时间: 2/17/2020, 4:43:04 AM