并发编程（十二）：阻塞队列

目录

• 1.阻塞队列简介
• 2.Java中的阻塞队列
  • 2.1 ArrayBlockingQueue
  • 2.2 LinkedBlockingQueue
  • 2.3 PriorityBlockingQueue
  • 2.4 DelayQueue
    • 如何实现Delayed接口
    • 实现延时阻塞队列
  • 2.5 SynchronousQueue
  • 2.6 LinkedTransferQueue
    • transfer方法
    • tryTransfer方法
  • 2.7 LinkedBlockingDeque
• 3.阻塞队列实现原理

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1.阻塞队列简介

阻塞队列是支持两个附加操作的队列(阻塞插入和阻塞移除)

• 阻塞插入：队列满时会阻塞插入元素的线程，直到队列不满
• 阻塞移除：队列为空时，获取元素的线程会等待元素变为非空

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景

阻塞队列不可用(阻塞)时插入和移除操作的四种处理方式：

• 抛出异常：队列满再插入，队列空移除都会抛出异常
• 返回特殊值：插入成功返回true，移除成功返回元素，否则为null
• 一直阻塞：会等待队列不满或不空
• 超时退出：线程等待一段时间后退出

无界队列不会出现队列满的情况

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2.Java中的阻塞队列

2.1 ArrayBlockingQueue

由数组实现的有界阻塞队列，按照FIFO原则对元素进行排序

默认情况下不是公平的(访问顺序与阻塞先后顺序无关)

如下可创建一个公平的阻塞队列：

ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);

内部是通过可重入锁ReentrantLock实现公平性的

2.2 LinkedBlockingQueue

用链表实现的有界阻塞队列，默认和最大长度都是Integer.MAX_VALUE

2.3 PriorityBlockingQueue

支持优先级的无界阻塞队列，默认采用自然升序，不保证同优先级元素顺序

自定义排序规则：

• 可以实现元素compareTo()方法指定元素排序顺序
• 也可以指定构造方法的参数Comparator指定排序规则

2.4 DelayQueue

支持延时获取元素的无界阻塞队列，使用PriorityQueue实现，队列中元素必须实现Delayed接口，创建元素时可以指定延时时长，只有延时时间满才能获取元素

使用场景：

• 缓存失效：用DelayQueue保存缓存元素有效期
• 定时任务调度：用DelayQueue保存当天要执行的任务和执行时间

如何实现Delayed接口

1. 创建对象，初始化基本数据
2. 实现getDelay方法，返回还需要延时多长时间
3. 实现compareTo方法用来指定元素顺序

实现延时阻塞队列

从队列中获取元素时，如果元素没有达到延时时间，则拒绝

long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS); 
if (delay <= 0)
    return q.poll(); 
else if (leader != null)
    available.await(); 
else {
    Thread thisThread = Thread.currentThread();
    leader = thisThread;
    try {
        //等待delay纳秒
        available.awaitNanos(delay);
    } finally {
        if (leader == thisThread)
            leader = null;
    }
}

2.5 SynchronousQueue

不存储元素的阻塞队列，适合传递性场景。

线程每一个put()操作必须等待一个take()操作，否则不能继续添加元素；多个线程的put()或take()操作会在等待队列中等待，支持公平访问，默认情况下是非公平的

put等待：(公平锁)

take等待：

2.6 LinkedTransferQueue

由一个链表结构组成的无界阻塞TranserQueue队列，相对于其他阻塞队列，多了tryTransfer和transfer方法

transfer方法

可以把生产者传入的元素立刻传输(transfer)给消费者，如果没有消费者在等待接收，就会将元素存放在队列的tail节点，等到元素被消费者接收了才返回

tryTransfer方法

试探能否直接将生产者传入的元素传给消费者，无论是否接收，都立即返回结果

2.7 LinkedBlockingDeque

由链表构成的双向阻塞队列，可以从队列的两端插入和移除元素

初始化时可以设置容量防止其过度膨胀

双向队列可用在"工作窃取"模式中

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3.阻塞队列实现原理

阻塞队列主要是使用通知模式实现，以ArrayBlockingQueue为例

ArrayBlockingQueue—>Condition.await—>LockSupport.park(this)—>unsafe.park()实现

unsafe.park是个native方法：不同操作系统上有不同实现

• Linux：使用系统方法pthread_cond_wait实现park
  • unpark方法使用pthread_cond_signal实现
• Windows：使用 WaitForSignalObject 实现(Windows API)

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