【转】Java并发编程：阻塞队列

　　在前面几篇文章中，我们讨论了同步容器（Hashtable、Vector），也讨论了并发容器（ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList），这些工具都为我们编写多线程程序提供了很大的方便。今天我们来讨论另外一类容器：阻塞队列。

　　在前面我们接触的队列都是非阻塞队列，比如PriorityQueue、LinkedList(LinkedList是双向链表，它实现了Dequeue接口)。

　　使用了非阻塞队列的时候有一个很大的问题就是：它不会对当前线程产生阻塞，那么在面对类似消费者-生产者的模型时，就必须额外地实现同步策略以及线程间唤醒策略，这个实现起来就非常麻烦。但是有了阻塞队列就不一样了，它会对当前线程产生阻塞，比如一个线程从一个空的阻塞队列中取元素，此时线程会被阻塞直到阻塞队列中有了元素。当队列中有元素后，被阻塞的线程会自动被唤醒（不需要我们编写代码去唤醒）。这样提供了极大的方便性。

　　

一、几种主要的阻塞队列

　　自从Java 1.5之后，在java.util.concurrent包下提供了若干个阻塞队列，主要有以下几个：

　　ArrayBlockingQueue:基于数组实现的一个有界阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须指定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的。所谓公平的访问队列是指阻塞的线程，可以按照阻塞的先后顺序访问队列，先阻塞的线程先访问ArrayBlockingQueue队列；非公平性是对先等待的线程是非公平的，当队列可用时，阻塞的线程都可以争夺访问队列的资格，有可能先阻塞的线程最后才能够访问队里。然后为了保证公平性，通常会降低吞吐量。

　　LinkedBlockingQueue:基于链表实现的一个有界阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE。

　　PriorityBlockingQueue:以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue却不是，它会按照元素的优先级对元素进行排序，按照优先级顺序出队，每次出队的元素都是优先级最高的元素。注意，此阻塞队列为无界阻塞队列，即容量没有上限（通过源码可知，其没有容器满的信号标志）。

　　DelayQueue:基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，DelayQueue中的元素只有当其指定的延时时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列，因此队列中插入数据的线程（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的线程（消费者）才会被阻塞。

二、阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法

1、非阻塞队列中的几个主要方法：

　　add(E e):将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则会抛出异常；

　　remove():移除队首元素，若移除成功，则返回true；如果移除失败（队列为空），则会抛出异常；

　　offer(E e):将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则返回false；

　　poll():移除并获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null；

　　peek():获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null

　　对于非阻塞队列，一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法，不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意，非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。

2、阻塞队列中的几个主要方法：

　　阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法，上面列举的5个方法在阻塞队列中都存在，但是要注意这5个方法在阻塞队列中都进行了同步措施。除此之外，阻塞队列提供了另外4个非常有用的方法：

　　put(E e):向队尾存入元素，如果队列满，则等待；

　　take():从队首取元素，如果队列为空，则等待；

　　offer(E e,long timeout,TimUnit unit):向队尾存入元素，如果队列满，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果还没有插入成功，则返回false；否则返回true；

　　poll(long timeout,TimeUnit unit):从队首取元素，如果队列为空，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果未取到，则返回null；否则返回取得的元素；

三、阻塞队列的实现原理

　　前面谈到了非阻塞队列和阻塞队列中常用的方法，下面来探讨阻塞队列的实现原理，本文以ArrayBlockingQueue为例，其它阻塞队列实现原理可能和ArrayBlockingQueue有一些差别，但是大体思路应该类似。

　　首先，看一下ArrayBlockingQueue类中的几个成员变量：

 public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
         implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {

     /**
      * Serialization ID. This class relies on default serialization
      * even for the items array, which is default-serialized, even if
      * it is empty. Otherwise it could not be declared final, which is
      * necessary here.
      */
     private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;

     /** The queued items */
     final Object[] items;

     /** items index for next take, poll, peek or remove */
     int takeIndex;

     /** items index for next put, offer, or add */
     int putIndex;

     /** Number of elements in the queue */
     int count;

     /*
      * Concurrency control uses the classic two-condition algorithm
      * found in any textbook.
      */

     /** Main lock guarding all access */
     final ReentrantLock lock;
     /** Condition for waiting takes */
     private final Condition notEmpty;
     /** Condition for waiting puts */
     private final Condition notFull;

　　可以看出，ArrayBlockingQueue中用来存储元素的实际上是一个数组，takeIndex和putIndex分别表示队首元素和队尾元素的下标，count表示队列中元素的个数。

　　lock是一个可重入锁，notEmpty和notFull是等待条件。

　　下面看一下ArrayBlockingQueue的构造器，构造器有三个重载版本：

 public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
 }
 public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {

 }
 public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
                           Collection<? extends E> c) {
 }

　　第一个构造器只有一个参数用来指定容量，第二个构造器可以指定容量和公平性，第三个构造器可以指定容量、公平性以及用另外一个集合的数据对队列进行初始化。

　　然后看它的两个关键方法的实现：put()和take():

　　下面是put()方法实现：

 public void put(E e) throws InterruptedException {
     if(e == null) throws new NullPointerException();

     final ReentrantLock lock = this.lock();
     // 允许在等待时由其它线程调用等待线程的Thread.interrupt方法来中断等待线程的等待，当等待线程被打断时，
     // 会被要求处理InterruptedException，或将InterruptedException抛出
     lock.lockInterruptibly();
     try {
         try {
             while(count == items.length)
                 notFull.await();
         }catch(InterruptedException ie) {
             notFull.signal();   // propagate to non-interrupted thread
             throw ie;
         }

         insert(e);
     } finally {
         lock.unlock();
     }
 }

　　从put方法的实现可以看出，它先获取了锁，并且获取的锁是可中断锁，然后判断当前元素个数是否等于数组的长度，如果相等，则调用notFull.await()进行等待，如果捕获到中断异常，则唤醒线程并抛出异常。

　　当队列未满或被其它线程唤醒时，通过insert(e)方法插入元素，最后解锁。

　　我们看一下insert方法的实现：

 private insert(E x) {
     items[putIndex] = x;
     putIndex = inc(putIndex);
     ++count;
     notEmpty.signal();
 }

　　它是一个private方法，插入成功后，通过notEmpty唤醒正在等待取元素的线程。

　　下面是take()方法的实现：

 public E take() throws InterruptedException {
     final ReentrantLock lock = this.lock;

     lock.lockInterruptibly();
     try {
         try {
             while(count == 0)
                 notEmpty.await();
         }catch(InterruptedException) {
             notEmpty.signal();  // propagate to non-interrupted thread
             throw ie;
         }

         E x = extract();
         return x;
     }finally {
         lock.unlock();

     }
 }

　　跟put方法实现很类似，只不过put方法等待的是notFull信号，而take方法等待的是notEmpty信号。在take方法中，如果可以取元素，则通过extract方法取得元素，下面是extract方法的实现：

 private E extract() {
     final E[] items = this.items;
     E x = items[takeIndex];
     items[takeIndex] = null;
     takeIndex = inc(takeIndex);
     --count;
     notFull.signal();
     return x;
 }

　　跟insert方法也很类似。

　　其实从这里大家应该明白了阻塞队列的实现原理，事实它和我们用Object.wait()、Object.notify()和非阻塞队列实现生产者-消费者的思路类似，只不过它把这些工作一起集成到了阻塞队列中实现。

四、示例和使用场景

　　下面先使用Object.wait()和Objct.notify()、非阻塞队列实现生产者-消费者模式：

 package com.meng.javalanguage.producerConsumer;

 import java.util.PriorityQueue;

 public class Test {
     private int queueSize = 10;
     private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);

     public static void main(String[] args) {
         Test test = new Test();
         Producer producer = test.new Producer();
         Consumer consumer = test.new Consumer();

         producer.start();
         consumer.start();
     }

     class Consumer extends Thread {

         @Override
         public void run() {
             consume();
         }

         private void consume() {
             while(true) {
                 synchronized (queue) {
                     while(queue.size() == 0) {
                         try {
                             System.out.println("队列空，等待数据");
                             queue.wait();
                         }catch (InterruptedException ie) {
                             ie.printStackTrace();
                             queue.notify();

                         }
                     }

                     queue.poll();    // 每次移走队首元素
                     queue.notify();
                     System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余" + queue.size() + "个元素");
                 }
             }
         }
     }

     class Producer extends Thread {

         @Override
         public void run() {
             produce();
         }

         private void produce() {
             while(true) {
                 synchronized (queue) {
                     while(queue.size() == queueSize) {
                         try {
                             System.out.println("队列满，等待有空余空间");
                             queue.wait();
                         }catch (InterruptedException ie) {
                             ie.printStackTrace();
                             queue.notify();
                         }
                     }

                     queue.offer(1);        // 每次插入一个元素
                     queue.notify();
                     System.out.println("向队列中插入一个元素，队列剩余空间：" + (queueSize - queue.size()));
                 }
             }
         }

     }
 }

　　这个是经典的生产者-消费者模式，通过阻塞队列和Object.wait()和Object.notify()实现，wait()和notify()主要用来实现线程间通信。

　　具体的线程间通信方式（wait和notify的使用）在后续文章中会讲述到。

　　下面是阻塞队列实现的生产者-消费者模式：

 package com.meng.javalanguage.producerConsumer;

 import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

 public class Test1 {

     private int queueSize = 10;
     private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(queueSize);

     public static void main(String[] args) {
         Test1 test1 = new Test1();
         Producer producer = test1.new Producer();
         Consumer consumer = test1.new Consumer();

         producer.start();
         consumer.start();
     }

     class Consumer extends Thread {

         @Override
         public void run() {
             cunsume();
         }

         private void cunsume() {
             while(true) {
                 try {
                     queue.take();    // 该方法会抛出异常，需在try...catch块中执行
                     System.out.println("从队列中取走一个元素，队列剩余" + queue.size() + "个元素");
                 }catch (InterruptedException ie) {
                     ie.printStackTrace();
                 }
             }
         }
     }

     class Producer extends Thread {

         @Override
         public void run() {
             produce();
         }

         private void produce() {
             while(true) {
                 try {
                     queue.put(1);    // 该方法会抛出异常，需要try...catch块中执行
                     System.out.println("向队列中插入一个元素，队列剩余空间" + (queueSize - queue.size()));
                 }catch (InterruptedException ie) {
                     ie.printStackTrace();
                 }
             }
         }
     }
 }

　　有没有发现，使用阻塞队列代码要简单得多，不需要再单独考虑同步和线程间通信的问题。

　　在并发编程中，一般推荐使用阻塞队里，这样实现可以尽量地避免程序出现意外的错误。

　　阻塞队列使用最经典的场景就是socket客户端数据的读取和解析，读取数据的线程不断将数据放入队列，然后解析线程不断从队列取数据解析。还有其它类似的场景，只要符合生产者-消费者模型的都可以使用阻塞队列。

　　转载自《Java并发编程：阻塞队列》