并发编程--Queue

Queue

  • - 非阻塞队列
  • - 阻塞队列

Queue是一种特殊的线性表,它只允许在表的前端(front)进行删除操作,而在表的后端(rear)进行插入操作。进行插入操作的端称为队尾,进行删除操作的端称为队头。队列中没有元素时,称为空队列。
在队列这种数据结构中,最先插入的元素将是最先被删除的元素;反之最后插入的元素将是最后被删除的元素,因此队列又称为“先进先出”(FIFO—first in first out)的线性表。
在java5中新增加了java.util.Queue接口,用以支持队列的常见操作。该接口扩展了java.util.Collection接口。主要提供两类的实现:

  • * ConcurrentLinkedQueue为代表的高性能的队列
  • * BlockingQueue 为代表的阻塞队列

1-1 非阻塞队列

ConcurrentLinkedQueue
ConcurrentLinkedQueue是一个基于链接节点的无界线程安全队列,它采用先进先出的规则对节点进行排序,当我们添加一个元素的时候,它会添加到队列的尾部,当我们获取一个元素时,它会返回队列头部的元素。
它采用了“wait-free”算法来实现,该算法在Michael & Scott算法上进行了一些修改, Michael & Scott算法的详细信息可以参见参考资料一 http://www.cs.rochester.edu/u/michael/PODC96.html
注意他的几个方法:
add(E e) 和 offer(E e) : 都是加入元素的方法 (ConcurrentLinkedQueue 这两个方法没有区别)
poll() 和 peek() 都是取头元素 , 区别在于poll() 获取并移除此队列的头,如果此队列为空,则返回 null。peek()不会删除。

 public class MyQueue {

   public static void main(String[] args) throws Exception {

     //高性能无阻塞无界队列:ConcurrentLinkedQueue

     final SynchronousQueue<String> q = new SynchronousQueue<String>();
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
System.out.println(q.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
t1.start();
Thread t2 = new Thread(new Runnable() { @Override
public void run() {
q.add("asdasd");
}
});
t2.start();
}
}

ConcurrentLinkedDeque

 import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;

 public class MyDeque {

   public static void main(String[] args) {

     LinkedBlockingDeque<String> dq = new LinkedBlockingDeque<String>(10);
dq.addFirst("a");
dq.addFirst("b");
dq.addFirst("c");
dq.addFirst("d");
dq.addFirst("e");
dq.addLast("f");
dq.addLast("g");
dq.addLast("h");
dq.addLast("i");
dq.addLast("j");
//dq.offerFirst("k");
System.out.println("查看头元素:" + dq.peekFirst());
System.out.println("获取尾元素:" + dq.pollLast());
Object [] objs = dq.toArray();
for (int i = 0; i < objs.length; i++) {
System.out.println(objs[i]);
} }
}

1-2 阻塞队列

JDK提供的阻塞队列:

  • ArrayBlockingQueue:

一个由数组结构组成的 有界阻塞队列,遵循FIFO原则。其内部维护一个定长的数组,以便缓存队列中的数据对象,其内部没有实现读写分离,生产者和消费者不能完全并行。
ArrayBlockingQueue是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。默认情况下不保证访问者公平的访问队列,所谓公平访问队列是指阻塞的所有生产者线程或消费者线程,
当队列可用时,可以按照阻塞的先后顺序访问队列,即先阻塞的生产者线程,可以先往队列里插入元素,先阻塞的消费者线程,可以先从队列里获取元素。通常情况下为了保证公平性会降低吞吐量。
我们可以使用以下代码创建一个公平的阻塞队列:
ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);
访问者的公平性是使用可重入锁实现的,代码如下:

 public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
lock = new ReentrantLock(fair);
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}
  • LinkedBlockingQueue:

一个由链表结构组成的有界阻塞队列,遵循FIFO原则,默认和最大长度为Integer.MAX_VALUE。同ArrayBlockingQueue类似,其内部也是维护一个数据缓冲队列(由链表构成),
LinkedBlockingQueue 之所以可以高效的处理并发数据,是因为LinkedBlockingQueue内部采用分离锁(读写分离两个锁),从而实现生产者和消费者的操作完成并行运行。

  • PriorityBlockingQueue:

一个支持优先级排序的无界阻塞队列。其排序不是加入的时候完成 而是调用take()方法时候进行排序
默认情况下元素采取自然顺序排列,也可以通过比较器comparator来指定元素的排序规则。元素按照升序排列。
实现PriorityBlockingQueue时,内部控制线程同步的锁采用的是公平锁。

示例:MyPriorityBlockingQueue.Java

 public class Task implements Comparable<Task>{
private int id ;
private String name;
public int getId() {
return id;
}
public void setId(int id) {
this.id = id;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
} @Override
public int compareTo(Task task) {
return this.id > task.id ? 1 : (this.id < task.id ? -1 : 0);
} public String toString(){
return this.id + "," + this.name;
}
}
 import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue; public class MyPriorityBlockingQueue {
public static void main(String[] args) throws Exception{
PriorityBlockingQueue<Task> q = new PriorityBlockingQueue<Task>(); Task t1 = new Task();
t1.setId(3);
t1.setName("id为3");
Task t2 = new Task();
t2.setId(4);
t2.setName("id为4");
Task t3 = new Task();
t3.setId(1);
t3.setName("id为1"); //return this.id > task.id ? 1 : 0;
q.add(t1); //
q.add(t2); //
q.add(t3); //1 // 1 3 4
System.out.println("容器:" + q);
System.out.println(q.take().getId()); //其排序不是加入的时候完成 而是调用take()方法时候进行排序
System.out.println("容器:" + q);
// System.out.println(q.take().getId());
// System.out.println(q.take().getId());
}
}

结果输出

容器:[1,id为1, 4,id为4, 3,id为3]
1
容器:[3,id为3, 4,id为4]

 

  • DelayQueue:一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。

队列使用PriorityQueue来实现。队列中的元素必须实现Delayed接口(队列中的Delayed必须实现compareTo来指定元素的顺序。比如让延时时间最长的放在队列的末尾),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。
我们可以将DelayQueue运用在以下应用场景:
* 缓存系统的设计:可以用DelayQueue保存缓存元素的有效期,使用一个线程循环查询DelayQueue,一旦能从DelayQueue中获取元素时,表示缓存有效期到了。
* 定时任务调度。使用DelayQueue保存当天将会执行的任务和执行时间,一旦从DelayQueue中获取到任务就开始执行,从比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。

  • SynchronousQueue:一个不存储元素的阻塞队列。

SynchronousQueue是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,非常适合于传递性场景,比如在一个线程中使用的数据,传递给另外一个线程使用,SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

  • LinkedTransferQueue:一个由链表结构组成的无界阻塞队列。

LinkedTransferQueue是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。
* transfer方法。如果当前有消费者正在等待接收元素(消费者使用take()方法或带时间限制的poll()方法时),transfer方法可以把生产者传入的元素立刻transfer(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。

transfer方法的关键代码如下:

Node pred = tryAppend(s, haveData);
return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);

 

第一行代码是试图把存放当前元素的s节点作为tail节点。
第二行代码是让CPU自旋等待消费者消费元素。因为自旋会消耗CPU,所以自旋一定的次数后使用Thread.yield()方法来暂停当前正在执行的线程,并执行其他线程。

  • * tryTransfer方法。则是用来试探下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。

和transfer方法的区别是: 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。
对于带有时间限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法,则是试图把生产者传入的元素直接传给消费者,但是如果没有消费者消费该元素则等待指定的时间再返回,
如果超时还没消费元素,则返回false,如果在超时时间内消费了元素,则返回true。

LinkedBlockingDeque是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的你可以从队列的两端插入和移出元素。双端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,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。在初始化LinkedBlockingDeque时可以初始化队列的容量,用来防止其再扩容时过渡膨胀。
另外双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。

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