1. 什么是阻塞隊列?
阻塞隊列(BlockingQueue)是一個支持兩個附加操作的隊列。這兩個附加的操作是:
在隊列為空時,獲取元素的線程會等待隊列變為非空。
當隊列滿時,存儲元素的線程會等待隊列可用。
阻塞隊列常用于生產者和消費者的場景,生產者是往隊列里添加元素的線程,消費者是從隊列里拿元素的線程。阻塞隊列就是生產者存放元素的容器,而消費者也只從容器里拿元素。
2.Java里的阻塞隊列
JDK中提供了七個阻塞隊列:
- ArrayBlockingQueue :一個由數組結構組成的有界阻塞隊列。
- LinkedBlockingQueue :一個由鏈表結構組成的有界阻塞隊列。
- PriorityBlockingQueue :一個支持優先級排序的無界阻塞隊列。
- DelayQueue:一個使用優先級隊列實現的無界阻塞隊列。
- SynchronousQueue:一個不存儲元素的阻塞隊列。
- LinkedTransferQueue:一個由鏈表結構組成的無界阻塞隊列。
- LinkedBlockingDeque:一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。
ArrayBlockingQueue
ArrayBlockingQueue是一個用數組實現的有界阻塞隊列。此隊列按照先進先出(FIFO)的原則對元素進行排序。默認情況下不保證訪問者公平的訪問隊列,所謂公平訪問隊列是指阻塞的所有生產者線程或消費者線程,當隊列可用時,可以按照阻塞的先后順序訪問隊列,即先阻塞的生產者線程,可以先往隊列里插入元素,先阻塞的消費者線程,可以先從隊列里獲取元素。通常情況下為了保證公平性會降低吞吐量。我們可以使用以下代碼創建一個公平的阻塞隊列:
ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);
而對于其訪問的公平性,是通過ReentrantLock鎖來實現的。
LinkedBlockingQueue
LinkedBlockingQueue是一個用鏈表實現的有界阻塞隊列。此隊列的默認和最大長度為Integer.MAX_VALUE。此隊列按照先進先出的原則對元素進行排序。
PriorityBlockingQueue
PriorityBlockingQueue是一個支持優先級的無界隊列。默認情況下元素采取自然順序排列,也可以通過比較器comparator來指定元素的排序規則。元素按照升序排列。
DelayQueue
DelayQueue是一個支持延時獲取元素的無界阻塞隊列。隊列使用PriorityQueue來實現。隊列中的元素必須實現Delayed接口,在創建元素時可以指定多久才能從隊列中獲取當前元素。只有在延遲期滿時才能從隊列中提取元素。我們可以將DelayQueue運用在以下應用場景:
緩存系統的設計:可以用DelayQueue保存緩存元素的有效期,使用一個線程循環查詢DelayQueue,一旦能從DelayQueue中獲取元素時,表示緩存有效期到了。
定時任務調度。使用DelayQueue保存當天將會執行的任務和執行時間,一旦從DelayQueue中獲取到任務就開始執行,從比如TimerQueue就是使用DelayQueue實現的。
如何實現Delayed接口
我們可以參考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask類。這個類實現了Delayed接口。首先:在對象創建的時候,使用time記錄前對象什么時候可以使用,代碼如下:
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ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) { super (r, result); this .time = ns; this .period = period; this .sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement(); } |
然后使用getDelay可以查詢當前元素還需要延時多久,代碼如下:
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public long getDelay(TimeUnit unit) { return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS); } |
通過構造函數可以看出延遲時間參數ns的單位是納秒,自己設計的時候最好使用納秒,因為getDelay時可以指定任意單位,一旦以納秒作為單位,而延時的時間又精確不到納秒就麻煩了。使用時請注意當time小于當前時間時,getDelay會返回負數。
最后我們可以使用time的來指定其在隊列中的順序,例如:讓延時時間最長的放在隊列的末尾。
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public int compareTo(Delayed other) { if (other == this ) 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 d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)-other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)); return (d == 0 ) ? 0 : ((d < 0 ) ? - 1 : 1 ); } |
如何實現延時阻塞隊列
延時阻塞隊列的實現很簡單,當消費者從隊列里獲取元素時,如果元素沒有達到延時時間,就阻塞當前線程。
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long delay = first.getDelay(TimeUtil.NANOSECONDS); if (delay<= 0 ){ return q.poll ; //阻塞隊列 } else if (leader!= null ){ //leader表示一個等待從阻塞隊列中取消息的線程 available.await(); //讓線程進入等待信號 } else { //當leader為null,則將當前線程設置為leader Thread thisThread = Thread.currentThread(); try { leader = thisThread; //使用awaitNanos()方法讓當前線程等待接收信號或等待delay時間 available.awaitNanos(delay); } finally { if (leader==thisThread){ leader= null ; } } } |
SynchronousQueue
SynchronousQueue是一個不存儲元素的阻塞隊列。每一個put操作必須等待一個take操作,否則不能繼續添加元素。SynchronousQueue可以看成是一個傳球手,負責把生產者線程處理的數據直接傳遞給消費者線程。隊列本身并不存儲任何元素,非常適合于傳遞性場景,比如在一個線程中使用的數據,傳遞給另外一個線程使用,SynchronousQueue的吞吐量高于
LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。
它支持公平訪問隊列。默認情況下依然是非公平性的策略機制
LinkedTransferQueue
LinkedTransferQueue是一個由鏈表結構組成的無界阻塞TransferQueue隊列。相對于其他阻塞隊列LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。
transfer方法
如果當前有消費者正在等待接收元素(消費者使用take()方法或帶時間限制的poll()方法時),transfer方法可以把生產者傳入的元素立刻transfer(傳輸)給消費者。如果沒有消費者在等待接收元素,transfer方法會將元素存放在隊列的tail節點,并等到該元素被消費者消費了才返回。
tryTransfer方法
是用來試探下生產者傳入的元素是否能直接傳給消費者。如果沒有消費者等待接收元素,則返回false。和transfer方法的區別是tryTransfer方法無論消費者是否接收,方法立即返回。而transfer方法是必須等到消費者消費了才返回。
對于帶有時間限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法,則是試圖把生產者傳入的元素直接傳給消費者,但是如果沒有消費者消費該元素則等待指定的時間再返回,如果超時還沒消費元素,則返回false,如果在超時時間內消費了元素,則返回true。
LinkedBlockingDeque
LinkedBlockingDeque是一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。所謂雙向隊列指的你可以從隊列的兩端插入和移出元素。雙端隊列因為多了一個操作隊列的入口,在多線程同時入隊時,也就減少了一半的競爭。相比其他的阻塞隊列,LinkedBlockingDeque多了addFirst,addLast,offerFirst,offerLast,peekFirst,peekLast等方法,以First單詞結尾的方法,表示插入,獲取(peek)或移除雙端隊列的第一個元素。以Last單詞結尾的方法,表示插入,獲取或移除雙端隊列的最后一個元素。另外插入方法add等同于addLast,移除方法remove等效于removeFirst。但是take方法卻等同于takeFirst,不知道是不是Jdk的bug,使用時還是用帶有First和Last后綴的方法更清楚。在初始化LinkedBlockingDeque時可以初始化隊列的容量,用來防止其再擴容時過渡膨脹。另外雙向阻塞隊列可以運用在“工作竊取”模式中。
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