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BlockingQueue阻塞队列详解

首先,最基本的来说, BlockingQueue 是一个先进先出的队列(Queue),为什么说是阻塞(Blocking)的呢?是因为 BlockingQueue 支持当获取队列元素但是队列为空时,会阻塞等待队列中有元素再返回;也支持添加元素时,如果队列已满,那么等到队列可以放入新元素时再放入。

BlockingQueue 是一个接口,继承自 Queue,所以其实现类也可以作为 Queue 的实现来使用,而 Queue 又继承自 Collection 接口。

BlockingQueue 对插入操作、移除操作、获取元素操作提供了四种不同的方法用于不同的场景中使用:1、抛出异常;2、返回特殊值(null 或 true/false,取决于具体的操作);3、阻塞等待此操作,直到这个操作成功;4、阻塞等待此操作,直到成功或者超时指定时间。

对于 BlockingQueue,我们的关注点应该在 put(e) 和 take() 这两个方法,因为这两个方法是带阻塞的。

一个 BlockingQueue 可能是有界的,如果在插入的时候,发现队列满了,那么 put 操作将会阻塞。通常,在这里我们说的无界队列也不是说真正的无界,而是它的容量是 Integer.MAX_VALUE(21亿多)。

BlockingQueue 是设计用来实现生产者-消费者队列的,当然,你也可以将它当做普通的 Collection 来用,前面说了,它实现了 java.util.Collection 接口。例如,我们可以用 remove(x) 来删除任意一个元素,但是,这类操作通常并不高效,所以尽量只在少数的场合使用,比如一条消息已经入队,但是需要做取消操作的时候。

BlockingQueue 的实现都是线程安全的,但是批量的集合操作如 addAll, containsAll, retainAll 和 removeAll 不一定是原子操作。如 addAll(c) 有可能在添加了一些元素后中途抛出异常,此时 BlockingQueue 中已经添加了部分元素,这个是允许的,取决于具体的实现。

BlockingQueue 不支持 close 或 shutdown 等关闭操作,因为开发者可能希望不会有新的元素添加进去,此特性取决于具体的实现,不做强制约束。

最后,BlockingQueue 在生产者-消费者的场景中,是支持多消费者和多生产者的,说的其实就是线程安全问题。

相信上面说的每一句都很清楚了,BlockingQueue 是一个比较简单的线程安全容器,下面我会分析其具体的在 JDK 中的实现,这里又到了 Doug Lea 表演时间了。

BlockingQueue 实现之 ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue 是 BlockingQueue 接口的有界队列实现类,底层采用数组来实现。

其并发控制采用可重入锁来控制,不管是插入操作还是读取操作,都需要获取到锁才能进行操作。

ArrayBlockingQueue 共有以下几个属性:


  1. // 用于存放元素的数组
  2. final Object[] items;
  3. // 下一次读取操作的位置
  4. int takeIndex;
  5. // 下一次写入操作的位置
  6. int putIndex;
  7. // 队列中的元素数量
  8. int count;

  9. // 以下几个就是控制并发用的同步器
  10. final ReentrantLock lock;
  11. private final Condition notEmpty;
  12. private final Condition notFull;

我们用个示意图来描述其同步机制:

ArrayBlockingQueue 实现并发同步的原理就是,读操作和写操作都需要获取到 AQS 独占锁才能进行操作。如果队列为空,这个时候读操作的线程进入到读线程队列排队,等待写线程写入新的元素,然后唤醒读线程队列的第一个等待线程。如果队列已满,这个时候写操作的线程进入到写线程队列排队,等待读线程将队列元素移除腾出空间,然后唤醒写线程队列的第一个等待线程。

对于 ArrayBlockingQueue,我们可以在构造的时候指定以下三个参数:

  1. 队列容量,其限制了队列中最多允许的元素个数;
  2. 指定独占锁是公平锁还是非公平锁。非公平锁的吞吐量比较高,公平锁可以保证每次都是等待最久的线程获取到锁;
  3. 可以指定用一个集合来初始化,将此集合中的元素在构造方法期间就先添加到队列中。

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