Java併發編程：阻塞隊列
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在前面幾篇文章中，咱們討論了同步容器(Hashtable、Vector），也討論了併發容器（ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList），這些工具都爲咱們編寫多線程程序提供了很大的方便。今天咱們來討論另一類容器：阻塞隊列。java
在前面咱們接觸的隊列都是非阻塞隊列，好比PriorityQueue、LinkedList（LinkedList是雙向鏈表，它實現了Dequeue接口）。編程
使用非阻塞隊列的時候有一個很大問題就是：它不會對當前線程產生阻塞，那麼在面對相似消費者-生產者的模型時，就必須額外地實現同步策略以及線程間喚醒策略，這個實現起來就很是麻煩。可是有了阻塞隊列就不同了，它會對當前線程產生阻塞，好比一個線程從一個空的阻塞隊列中取元素，此時線程會被阻塞直到阻塞隊列中有了元素。當隊列中有元素後，被阻塞的線程會自動被喚醒（不須要咱們編寫代碼去喚醒）。這樣提供了極大的方便性。數組
本文先講述一下java.util.concurrent包下提供主要的幾種阻塞隊列，而後分析了阻塞隊列和非阻塞隊列的中的各個方法，接着分析了阻塞隊列的實現原理，最後給出了一個實際例子和幾個使用場景。多線程
一.幾種主要的阻塞隊列併發
二.阻塞隊列中的方法 VS 非阻塞隊列中的方法socket
三.阻塞隊列的實現原理ide
四.示例和使用場景工具
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一.幾種主要的阻塞隊列
自從Java 1.5以後，在java.util.concurrent包下提供了若干個阻塞隊列，主要有如下幾個：
ArrayBlockingQueue：基於數組實現的一個阻塞隊列，在建立ArrayBlockingQueue對象時必須制定容量大小。而且能夠指定公平性與非公平性，默認狀況下爲非公平的，即不保證等待時間最長的隊列最優先可以訪問隊列。
LinkedBlockingQueue：基於鏈表實現的一個阻塞隊列，在建立LinkedBlockingQueue對象時若是不指定容量大小，則默認大小爲Integer.MAX_VALUE。
PriorityBlockingQueue：以上2種隊列都是先進先出隊列，而PriorityBlockingQueue卻不是，它會按照元素的優先級對元素進行排序，按照優先級順序出隊，每次出隊的元素都是優先級最高的元素。注意，此阻塞隊列爲無界阻塞隊列，即容量沒有上限（經過源碼就能夠知道，它沒有容器滿的信號標誌），前面2種都是有界隊列。
DelayQueue：基於PriorityQueue，一種延時阻塞隊列，DelayQueue中的元素只有當其指定的延遲時間到了，纔可以從隊列中獲取到該元素。DelayQueue也是一個無界隊列，所以往隊列中插入數據的操做（生產者）永遠不會被阻塞，而只有獲取數據的操做（消費者）纔會被阻塞。
二.阻塞隊列中的方法 VS 非阻塞隊列中的方法
1.非阻塞隊列中的幾個主要方法：
add(E e):將元素e插入到隊列末尾，若是插入成功，則返回true；若是插入失敗（即隊列已滿），則會拋出異常；
remove()：移除隊首元素，若移除成功，則返回true；若是移除失敗（隊列爲空），則會拋出異常；
offer(E e)：將元素e插入到隊列末尾，若是插入成功，則返回true；若是插入失敗（即隊列已滿），則返回false；
poll()：移除並獲取隊首元素，若成功，則返回隊首元素；不然返回null；
peek()：獲取隊首元素，若成功，則返回隊首元素；不然返回null
對於非阻塞隊列，通常狀況下建議使用offer、poll和peek三個方法，不建議使用add和remove方法。由於使用offer、poll和peek三個方法能夠經過返回值判斷操做成功與否，而使用add和remove方法卻不能達到這樣的效果。注意，非阻塞隊列中的方法都沒有進行同步措施。
2.阻塞隊列中的幾個主要方法：
阻塞隊列包括了非阻塞隊列中的大部分方法，上面列舉的5個方法在阻塞隊列中都存在，可是要注意這5個方法在阻塞隊列中都進行了同步措施。除此以外，阻塞隊列提供了另外4個很是有用的方法：
put(E e)
take()
offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)
poll(long timeout, TimeUnit unit)
put方法用來向隊尾存入元素，若是隊列滿，則等待；
take方法用來從隊首取元素，若是隊列爲空，則等待；
offer方法用來向隊尾存入元素，若是隊列滿，則等待必定的時間，當時間期限達到時，若是尚未插入成功，則返回false；不然返回true；
poll方法用來從隊首取元素，若是隊列空，則等待必定的時間，當時間期限達到時，若是取到，則返回null；不然返回取得的元素；
三.阻塞隊列的實現原理
前面談到了非阻塞隊列和阻塞隊列中經常使用的方法，下面來探討阻塞隊列的實現原理，本文以ArrayBlockingQueue爲例，其餘阻塞隊列實現原理可能和ArrayBlockingQueue有一些差異，可是大致思路應該相似，有興趣的朋友可自行查看其餘阻塞隊列的實現源碼。
首先看一下ArrayBlockingQueue類中的幾個成員變量：
public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;
/** The queued items */
private final E[] items;
/** items index for next take, poll or remove */
private int takeIndex;
/** items index for next put, offer, or add. */
private int putIndex;
/** Number of items in the queue */
private int count;
/*
* Concurrency control uses the classic two-condition algorithm
* found in any textbook.
*/
/** Main lock guarding all access */
private final ReentrantLock lock;
/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;
/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;
}
能夠看出，ArrayBlockingQueue中用來存儲元素的其實是一個數組，takeIndex和putIndex分別表示隊首元素和隊尾元素的下標，count表示隊列中元素的個數。
lock是一個可重入鎖，notEmpty和notFull是等待條件。
下面看一下ArrayBlockingQueue的構造器，構造器有三個重載版本：
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
Collection<? extends E> c) {
}
第一個構造器只有一個參數用來指定容量，第二個構造器能夠指定容量和公平性，第三個構造器能夠指定容量、公平性以及用另一個集合進行初始化。
而後看它的兩個關鍵方法的實現：put()和take()：
public void put(E e) throws InterruptedException {
if (e == null) throw new NullPointerException();
final E[] items = this.items;
final ReentrantLock lock = this.lock;
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();
}
}
從put方法的實現能夠看出，它先獲取了鎖，而且獲取的是可中斷鎖，而後判斷當前元素個數是否等於數組的長度，若是相等，則調用notFull.await()進行等待，若是捕獲到中斷異常，則喚醒線程並拋出異常。
當被其餘線程喚醒時，經過insert(e)方法插入元素，最後解鎖。
咱們看一下insert方法的實現：
private void insert(E x) {
items[putIndex] = x;
putIndex = inc(putIndex);
++count;
notEmpty.signal();
}
它是一個private方法，插入成功後，經過notEmpty喚醒正在等待取元素的線程。
下面是take()方法的實現：
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
} catch (InterruptedException ie) {
notEmpty.signal(); // propagate to non-interrupted thread
throw ie;
}
E x = extract();
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
跟put方法實現很相似，只不過put方法等待的是notFull信號，而take方法等待的是notEmpty信號。在take方法中，若是能夠取元素，則經過extract方法取得元素，下面是extract方法的實現：
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方法也很相似。
其實從這裏你們應該明白了阻塞隊列的實現原理，事實它和咱們用Object.wait()、Object.notify()和非阻塞隊列實現生產者-消費者的思路相似，只不過它把這些工做一塊兒集成到了阻塞隊列中實現。
四.示例和使用場景
下面先使用Object.wait()和Object.notify()、非阻塞隊列實現生產者-消費者模式：
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("隊列空，等待數據");
queue.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
queue.notify();
}
}
queue.poll(); //每次移走隊首元素
queue.notify();
System.out.println("從隊列取走一個元素，隊列剩餘"+queue.size()+"個元素");
}
}
}
}
class Producer extends Thread{
@Override
public void run() {
produce();
}
private void produce() {
while(true){
synchronized (queue) {
while(queue.size() == queueSize){
try {
System.out.println("隊列滿，等待有空餘空間");
queue.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
queue.notify();
}
}
queue.offer(1); //每次插入一個元素
queue.notify();
System.out.println("向隊列取中插入一個元素，隊列剩餘空間："+(queueSize-queue.size()));
}
}
}
}
}
這個是經典的生產者-消費者模式，經過阻塞隊列和Object.wait()和Object.notify()實現，wait()和notify()主要用來實現線程間通訊。
具體的線程間通訊方式（wait和notify的使用）在後續問章中會講述到。
下面是使用阻塞隊列實現的生產者-消費者模式：
public class Test {
private int queueSize = 10;
private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<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){
try {
queue.take();
System.out.println("從隊列取走一個元素，隊列剩餘"+queue.size()+"個元素");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
class Producer extends Thread{
@Override
public void run() {
produce();
}
private void produce() {
while(true){
try {
queue.put(1);
System.out.println("向隊列取中插入一個元素，隊列剩餘空間："+(queueSize-queue.size()));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
有沒有發現，使用阻塞隊列代碼要簡單得多，不須要再單獨考慮同步和線程間通訊的問題。
在併發編程中，通常推薦使用阻塞隊列，這樣實現能夠儘可能地避免程序出現意外的錯誤。
阻塞隊列使用最經典的場景就是socket客戶端數據的讀取和解析，讀取數據的線程不斷將數據放入隊列，而後解析線程不斷從隊列取數據解析。還有其餘相似的場景，只要符合生產者-消費者模型的均可以使用阻塞隊列。
參考資料：
《Java編程實戰》
http://ifeve.com/java-blocking-queue/
http://endual.iteye.com/blog/1412212
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