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首页 手记 10分钟从实现和使用场景聊聊并发包下的阻塞队列

10分钟从实现和使用场景聊聊并发包下的阻塞队列

标签：
Java 设计 面试

阻塞队列

什么是队列？

队列的实现可以是数组、也可以是链表，可以实现先进先出的顺序队列，也可以实现先进后出的栈队列

那什么是阻塞队列？

在经典的生产者/消费者模型中，生产者们将生产的元素放入队列，而消费者们从队列获取元素消费

当队列已满，我们会手动阻塞生产者，直到消费者消费再来手动唤醒生产者

当队列为空，我们会手动阻塞消费者，直到生产者生产再来手动唤醒消费者

在这个过程中由于使用的是普通队列，阻塞与唤醒我们需要手动操作，保证同步机制

阻塞队列在队列的基础上提供等待/通知功能，用于线程间的通信，避免线程竞争死锁

生产者可以看成往线程池添加任务的用户线程，而消费者则是线程池中的工作线程

当阻塞队列为空时阻塞工作线程获取任务，当阻塞队列已满时阻塞用户线程向队列中添加任务（创建非核心线程、拒绝策略）

API

阻塞队列提供一下四种添加、删除元素的API，我们常用阻塞等待/超时阻塞等待的API

方法名 抛出异常 返回true/false 阻塞等待 超时阻塞等待
添加 add(Object) offer(Object) put(Object) offer(Object,long,TimeUnit)
删除 remove() poll() take() poll(long,TimeUnit)
  1. 抛出异常:队满add 抛出异常IllegalStateExceptio ；队空remove 抛出异常NoSuchElementException
  2. 返回值: 队满offer返回false，队空poll返回null
  3. 阻塞等待: 队满时put会阻塞线程 或 队空时take会阻塞线程
  4. 超时阻塞等待: 在阻塞等待、返回true/false的基础上增加超时等待（等待一定时间就退出等待）
阻塞队列的公平与不公平

什么是阻塞队列的公平与不公平？

当阻塞队列已满时，如果是公平的，那么阻塞的线程根据先后顺序从阻塞队列中获取元素，不公平则反之

实际上阻塞队列的公平与不公平，要看实现阻塞队列的锁是否公平

阻塞队列一般默认使用不公平锁

ArrayBlockingQueue

从名称看就可以知道它是数组实现的，我们先来看看它有哪些重要字段

 public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
         implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
 ​
     //存储元素的数组
     final Object[] items;
 ​
     //记录元素出队的下标
     int takeIndex;
 ​
     //记录元素入队的下标
     int putIndex;
 ​
     //队列中元素数量
     int count；
 ​
     //使用的锁
     final ReentrantLock lock;
 ​
     //出队的等待队列，作用于消费者
     private final Condition notEmpty;
 ​
     //入队的等待队列，作用于生产者
     private final Condition notFull;
     
 }

看完关键字段，我们可以知道：ArrayBlockingQueue由数组实现、使用并发包下的可重入锁、同时用两个等待队列作用生产者和消费者

为什么出队、入队要使用两个下标记录？

实际上它是一个环形数组，在初始化后就不改变大小，后续查看源码自然能明白它是环形数组

在构造器中、初始化数组容量，同时使用非公平锁

     public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
         this(capacity, false);
     }
 ​
     public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
         if (capacity <= 0)
             throw new IllegalArgumentException();
         this.items = new Object[capacity];
         //锁是否为公平锁
         lock = new ReentrantLock(fair);
         notEmpty = lock.newCondition();
         notFull =  lock.newCondition();
     }

ArrayBlockingQueue的公平性是由ReentrantLock来实现的

我们来看看入队方法，入队方法都大同小异，我们本文都查看支持超时、响应中断的方法

     public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
         throws InterruptedException {
         //检查空指针
         checkNotNull(e);
         //获取超时纳秒
         long nanos = unit.toNanos(timeout);
         final ReentrantLock lock = this.lock;
         //加锁
         lock.lockInterruptibly();
         try {
             //如果队列已满
             while (count == items.length) {
                 //超时则返回入队失败，否则生产者等待对应时间
                 if (nanos <= 0)
                     return false;
                 nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
             }
             //入队
             enqueue(e);
             return true;
         } finally {
             //解锁
             lock.unlock();
         }
     }

直接使用可重入锁保证同步，如果队列已满，在此期间判断是否超时，超时就返回，未超时等待；未满则执行入队方法

     private void enqueue(E x) {
         //队列数组
         final Object[] items = this.items;
         //往入队下标添加值
         items[putIndex] = x;
         //自增入队下标 如果已满则定位到0 成环
         if (++putIndex == items.length)
             putIndex = 0;
         //统计数量增加
         count++;
         //唤醒消费者
         notEmpty.signal();
     }

在入队中，主要是添加元素、修改下次添加的下标、统计队列中的元素和唤醒消费者，到这以及可以说明它的实现是环形数组

ArrayBlockingQueue由环形数组实现的阻塞队列，固定容量不支持动态扩容，使用非公平的ReertrantLock保证入队、出队操作的原子性，使用两个等待队列存储等待的生产者、消费者，适用于在并发量不大的场景

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue从名称上来看，就是使用链表实现的，我们来看看它的关键字段

 public class LinkedBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
         implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
     //节点
     static class Node<E> {
         //存储元素
         E item;
 ​
         //下一个节点
         Node<E> next;
         
         //...
     }
 ​
     //容量上限
     private final int capacity;
 ​
     //队列元素数量
     private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
 ​
     //头节点
     transient Node<E> head;
 ​
     //尾节点
     private transient Node<E> last;
 ​
     //出队的锁
     private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
 ​
     //出队的等待队列
     private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
 ​
     //入队的锁
     private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
 ​
     //入队的等待队列
     private final Condition notFull = putLock.newCondition();
 }

从字段中，我们可以知道它使用单向链表的节点、且用首尾节点记录队列的头尾，并且它使用两把锁、两个等待队列作用于队头、尾，与ArrayBlockingQueue相比能够增加并发性能

有个奇怪的地方：都使用锁了，为什么记录元素数量count却使用原子类呢？

这是由于两把锁，作用于入队与出队的操作，入队与出队也可能并发执行，同时修改count，因此要使用原子类保证修改数量的原子性

在初始化时需要设置容量大小，否则会设置成无界的阻塞队列（容量是int的最大值）

当消费速度小于生产速度时，阻塞队列中会堆积任务，进而导致容易发生OOM

     public LinkedBlockingQueue() {
         this(Integer.MAX_VALUE);
     }
 ​
     public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
         if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
         this.capacity = capacity;
         last = head = new Node<E>(null);
     }

来看看入队操作

     public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
         throws InterruptedException {
 ​
         if (e == null) throw new NullPointerException();
         long nanos = unit.toNanos(timeout);
         int c = -1;
         final ReentrantLock putLock = this.putLock;
         final AtomicInteger count = this.count;
         //加锁
         putLock.lockInterruptibly();
         try {
             //队列已满，超时返回，不超时等待
             while (count.get() == capacity) {
                 if (nanos <= 0)
                     return false;
                 nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
             }
             //入队
             enqueue(new Node<E>(e));
             // 先获取再自增 c中存储的是旧值
             c = count.getAndIncrement();
             //如果数量没满 唤醒生产者
             if (c + 1 < capacity)
                 notFull.signal();
         } finally {
             //解锁
             putLock.unlock();
         }
         //如果旧值为0 说明该入队操作前是空队列，唤醒消费者来消费
         if (c == 0)
             signalNotEmpty();
         return true;
     }

入队操作类似，只不过在此期间如果数量没满唤醒生产者生产，队列为空唤醒消费者来消费，从而增加并发性能

入队只是改变指向关系

     //添加节点到末尾
     private void enqueue(Node<E> node) {
         last = last.next = node;
     }

唤醒消费者前要先获取锁

     private void signalNotEmpty() {
         final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
         takeLock.lock();
         try {
             notEmpty.signal();
         } finally {
             takeLock.unlock();
         }
     }

出队操作也类似

     public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
         E x = null;
         int c = -1;
         long nanos = unit.toNanos(timeout);
         final AtomicInteger count = this.count;
         final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
         takeLock.lockInterruptibly();
         try {
             // 队列为空 超时返回空，否则等待
             while (count.get() == 0) {
                 if (nanos <= 0)
                     return null;
                 nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
             }
             //出队
             x = dequeue();
             c = count.getAndDecrement();
             //队列中除了当前线程获取的任务外还有任务就去唤醒消费者消费
             if (c > 1)
                 notEmpty.signal();
         } finally {
             takeLock.unlock();
         }
         //原来队列已满就去唤醒生产者 生产
         if (c == capacity)
             signalNotFull();
         return x;
     }

LinkedBlockingQueue与ArrayBlockingQueue的出队、入队实现类似

只不过LinkedBlockingQueue入队、出队获取/释放的锁不同，并且在此过程中不同情况回去唤醒其他的生产者、消费者从而进一步提升并发性能

LinkedBlockingQueue 由单向链表实现的阻塞队列，记录首尾节点；默认是无界、非公平的阻塞队列（初始化时要设置容量否则可能OOM），使用两把锁、两个等待队列，分别操作入队、出队的生产者、消费者，在入队、出队操作期间不同情况还会去唤醒生产者、消费者，从而进一步提升并发性能，适用于并发量大的场景

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque实现与LinkedBlockQueue类似，在LinkedBlockQueue的基础上支持从队头、队尾进行添加、删除的操作

它是一个双向链表，带有一系列First、Last的方法，比如：offerLast、pollFirst

由于LinkedBlockingDeque双向，常用其来实现工作窃取算法，从而减少线程的竞争

什么是工作窃取算法？

比如多线程处理多个阻塞队列的任务（一一对应），每个线程从队头获取任务处理，当A线程处理完它负责的阻塞队列所有任务时，它再从队尾窃取其他阻塞队列的任务，这样就不会发生竞争，除非队列中只剩一个任务，才会发生竞争

ForkJoin框架就使用其来充当阻塞队列，我们后文再聊这个框架

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是优先级排序的无界阻塞队列，阻塞队列按照优先级进行排序

使用堆排序，具体排序算法由Comparable或Comparator实现比较规则

  1. 默认：泛型中的对象需要实现Comparable比较规则 ，根据compareTo方法规则排序
  2. 构造器中指定比较器Comparator 根据比较器规则排序
     @Test
     public void testPriorityBlockingQeque() {
         //默认使用Integer实现Comparable的升序
         PriorityBlockingQueue<Integer> queue = new PriorityBlockingQueue<>(6);
         queue.offer(99);
         queue.offer(1099);
         queue.offer(299);
         queue.offer(992);
         queue.offer(99288);
         queue.offer(995);
         //99 299 992 995 1099 99288
         while (!queue.isEmpty()){
             System.out.print(" "+queue.poll());
         }
 ​
         System.out.println();
         //指定Comparator 降序
         queue = new PriorityBlockingQueue<>(6, (o1, o2) -> o2-o1);
         queue.offer(99);
         queue.offer(1099);
         queue.offer(299);
         queue.offer(992);
         queue.offer(99288);
         queue.offer(995);
         //99288 1099 995 992 299 99
         while (!queue.isEmpty()){
             System.out.print(" "+queue.poll());
         }
     }

适用于需要根据优先级排序处理的场景

DelayQueue

Delay是一个延时获取元素的无界阻塞队列， 延时最长排在队尾

Delay队列元素实现Delayed接口通过getDelay获取延时时间

 public class DelayQueue<E extends Delayed> extends AbstractQueue<E>
     implements BlockingQueue<E> {
 }
 ​
 public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
     long getDelay(TimeUnit unit);
 }

DelayQueue应用场景

  1. 缓存系统的设计：DelayQueue存放缓存有效期，当可以获取到元素时，说明缓存过期
  2. 定时任务调度： 将定时任务的时间设置为延时时间，一旦可以获取到任务就开始执行

以定时线程池ScheduledThreadPoolExecutor的定时任务ScheduledFutureTask为例，它实现Delayed获取延迟执行的时间

image.png

  1. 创建对象时,初始化数据

             ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
             super(r, result);
             //time记录当前对象延迟到什么时候可以使用,单位是纳秒
             this.time = ns;
             this.period = period;
             //sequenceNumber记录元素在队列中先后顺序  sequencer原子自增
             //AtomicLong sequencer = new AtomicLong();
             this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
         }

  2. 实现Delayed接口的getDelay方法

     public long getDelay(TimeUnit unit) {
     return unit.convert(time - now(), NANOSECONDS);
 }

  3. Delay接口继承了Comparable接口，目的是要实现compareTo方法来继续排序

             public int compareTo(Delayed other) {
             if (other == this) // compare zero if same object
                 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 diff = getDelay(NANOSECONDS) - other.getDelay(NANOSECONDS);
             return (diff < 0) ? -1 : (diff > 0) ? 1 : 0;
         }

SynchronousQueue

SynchronousQueue是一个默认下支持非公平不存储元素的阻塞队列

每个put操作要等待一个take操作,否则不能继续添加元素会阻塞

使用公平锁

     @Test
     public void testSynchronousQueue() throws InterruptedException {
         final SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue(true);
         new Thread(() -> {
             try {
                 queue.put(1);
                 queue.put(2);
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
         }, "put12线程").start();
 ​
         new Thread(() -> {
             try {
                 queue.put(3);
                 queue.put(4);
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
         }, "put34线程").start();
 ​
         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿出" + queue.take());
         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿出" + queue.take());
         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿出" + queue.take());
         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿出" + queue.take());
     }
 //结果 因为使用公平锁 1在2前，3在4前
 //main拿出1
 //main拿出3
 //main拿出2
 //main拿出4

SynchronousQueue队列本身不存储元素，负责把生产者的数据传递给消费者，适合传递性的场景

在该场景下吞吐量会比ArrayBlockingQueue，LinkedBlockingQueue高

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一个链表组成的无界阻塞队列，拥有transfer()和tryTransfer()方法

transfer()

如果有消费者在等待接收元素，transfer(e)会把元素e传输给消费者

如果没有消费者在等待接收元素，transfer(e)会将元素e存放在队尾，直到有消费者获取了才返回

     @Test
     public void testTransfer() throws InterruptedException {
         LinkedTransferQueue queue = new LinkedTransferQueue();
         new Thread(()->{
             try {
                 //阻塞直到被获取
                 queue.transfer(1);
                 //生产者放入的1被取走了
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"放入的1被取走了");
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
         },"生产者").start();
 ​
         TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
         //main取出队列中的元素
         System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"取出队列中的元素");
         queue.poll();
     }

tryTransfer()无论消费者是否消费都直接返回

     @Test
     public void testTryTransfer() throws InterruptedException {
         LinkedTransferQueue<Integer> queue = new LinkedTransferQueue<>();
         //false
         System.out.println(queue.tryTransfer(1));
         //null
         System.out.println(queue.poll());
 ​
         new Thread(()->{
             try {
                 //消费者取出2
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"取出"+queue.poll(2, TimeUnit.SECONDS));
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
         },"消费者").start();
         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
         //true
         System.out.println(queue.tryTransfer(2));
     }

tryTransfer(long,TimeUnit) 在超时时间内消费者消费元素返回true，反之返回false

总结

ArrayBlockingQueue由环形数组实现，固定容量无法扩容，使用非公平的可重入锁锁、两个等待队列操作入队、出队操作，适合并发小的场景

LinkedBlockingQueue由单向链表实现，默认无界，使用两个可重入锁、两个等待队列进行入队、出队操作，并在此期间可能唤醒生产者或消费者线程，以此提高并发性能

LinkedBlockingDeque由双向链表实现，在LinkedBlockingQueue的基础上，能够在队头、队尾都进行添加、删除操作，适用工作窃取算法1

PriorityBlockingQueue由堆排序实现的优先级队列，具体排序算法由Comparable、Comparator来实现，适用于需要根据优先级排序处理任务的场景

DelayQueue 是一个延时队列，队列中存储的元素需要实现Delayed接口来获取延时时间，适用于缓存失效、定时任务的场景

SynchronousQueue不存储元素，只将生产者生产的元素传递给消费者， 适用于传递性的场景，比如不同线程间传递数据

LinkedTransgerQueue是传输形的阻塞队列，适用于单个元素传递的场景

在使用无界的阻塞队列时，需要设置容量，避免存储任务太多导致OOM

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发表于 2023.09.09 21:03， 共 658 人浏览

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