內(nèi)容摘自聊聊并發(fā)（七）——Java中的阻塞隊列
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?yōu)榉强铡．旉犃袧M時，存儲元素的線程會等待隊列可用。阻塞隊列常用于生產(chǎn)者和消費者的場景，生產(chǎn)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(chǎn)者存放元素的容器，而消費者也只從容器里拿元素。
阻塞隊列提供了四種處理方法:
方法\處理方式拋出異常返回特殊值一直阻塞超時退出
插入方法add(e)offer(e)put(e)offer(e,time,unit)
移除方法remove()poll()take()poll(time,unit)
檢查方法element()peek()不可用不可用
拋出異常：是指當阻塞隊列滿時候，再往隊列里插入元素，會拋出IllegalStateException("Queue full")異常。當隊列為空時，從隊列里獲取元素時會拋出NoSuchElementException異常 。
返回特殊值：插入方法會返回是否成功，成功則返回true。移除方法，則是從隊列里拿出一個元素，如果沒有則返回null
一直阻塞：當阻塞隊列滿時，如果生產(chǎn)者線程往隊列里put元素，隊列會一直阻塞生產(chǎn)者線程，直到拿到數(shù)據(jù)，或者響應中斷退出。當隊列空時，消費者線程試圖從隊列里take元素，隊列也會阻塞消費者線程，直到隊列可用。
超時退出：當阻塞隊列滿時，隊列會阻塞生產(chǎn)者線程一段時間，如果超過一定的時間，生產(chǎn)者線程就會退出。
2. Java里的阻塞隊列
JDK7提供了7個阻塞隊列。分別是
ArrayBlockingQueue ：一個由數(shù)組結(jié)構(gòu)組成的有界阻塞隊列。
LinkedBlockingQueue ：一個由鏈表結(jié)構(gòu)組成的有界阻塞隊列。
PriorityBlockingQueue ：一個支持優(yōu)先級排序的無界阻塞隊列。
DelayQueue：一個使用優(yōu)先級隊列實現(xiàn)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(jié)構(gòu)組成的無界阻塞隊列。
LinkedBlockingDeque：一個由鏈表結(jié)構(gòu)組成的雙向阻塞隊列。
ArrayBlockingQueue是一個用數(shù)組實現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(chuàng)建一個公平的阻塞隊列：
ArrayBlockingQueue fairQueue = new? ArrayBlockingQueue(1000,true);
訪問者的公平性是使用可重入鎖實現(xiàn)的，代碼如下：
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是一個用鏈表實現(xiàn)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是一個支持優(yōu)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(guī)則。元素按照升序排列。
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(xiàn)。隊列中的元素必須實現(xiàn)Delayed接口，在創(chuàng)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(tǒng)的設(shè)計：可以用DelayQueue保存緩存元素的有效期，使用一個線程循環(huán)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(wù)調(diào)度。使用DelayQueue保存當天將會執(zhí)行的任務(wù)和執(zhí)行時間，一旦從DelayQueue中獲取到任務(wù)就開始執(zhí)行，從比如TimerQueue就是使用DelayQueue實現(xiàn)的。
隊列中的Delayed必須實現(xiàn)compareTo來指定元素的順序。比如讓延時時間最長的放在隊列的末尾。實現(xiàn)代碼如下：
public int compareTo(Delayed other) {
? ? ? ? ? if (other == this) // compare zero ONLY 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 d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
? ? ? ? ? ? return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
? ? ? ? }
如何實現(xiàn)Delayed接口
我們可以參考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask類。這個類實現(xiàn)了Delayed接口。首先：在對象創(chuàng)建的時候，使用time記錄前對象什么時候可以使用，代碼如下：
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：
public long getDelay(TimeUnit unit) {
? ? ? ? ? ? return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
? ? ? ? }
通過構(gòu)造函數(shù)可以看出延遲時間參數(shù)ns的單位是納秒，自己設(shè)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(shù)。
如何實現(xiàn)延時隊列
延時隊列的實現(xiàn)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。
long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? if (delay <= 0)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? return q.poll();
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? else if (leader != null)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? available.await();
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(xù)添加元素。SynchronousQueue可以看成是一個傳球手，負責把生產(chǎn)者線程處理的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，傳遞給另外一個線程使用，SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。
LinkedTransferQueue是一個由鏈表結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jié)點，并等到該元素被消費者消費了才返回。transfer方法的關(guān)鍵代碼如下：
Node pred = tryAppend(s, haveData);
return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);
第一行代碼是試圖把存放當前元素的s節(jié)點作為tail節(jié)點。第二行代碼是讓CPU自旋等待消費者消費元素。因為自旋會消耗CPU，所以自旋一定的次數(shù)后使用Thread.yield()方法來暫停當前正在執(zhí)行的線程，并執(zhí)行其他線程。
tryTransfer方法。則是用來試探下生產(chǎn)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(qū)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(chǎn)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(nèi)消費了元素，則返回true。
LinkedBlockingDeque是一個由鏈表結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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時可以設(shè)置容量防止其過渡膨脹。另外雙向阻塞隊列可以運用在“工作竊取”模式中。
3. 阻塞隊列的實現(xiàn)原理
如果隊列是空的，消費者會一直等待，當生產(chǎn)者添加元素時候，消費者是如何知道當前隊列有元素的呢？如果讓你來設(shè)計阻塞隊列你會如何設(shè)計，讓生產(chǎn)者和消費者能夠高效率的進行通訊呢？讓我們先來看看JDK是如何實現(xiàn)的。
使用通知模式實現(xiàn)。所謂通知模式，就是當生產(chǎn)者往滿的隊列里添加元素時會阻塞住生產(chǎn)者，當消費者消費了一個隊列中的元素后，會通知生產(chǎn)者當前隊列可用。通過查看JDK源碼發(fā)現(xiàn)ArrayBlockingQueue使用了Condition來實現(xiàn)，代碼如下：
private final Condition notFull;
private final Condition notEmpty;
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
? ? ? ? //省略其他代碼
? ? ? ? notEmpty = lock.newCondition();
? ? ? ? notFull =? lock.newCondition();
? ? }
public void put(E e) throws InterruptedException {
? ? ? ? checkNotNull(e);
? ? ? ? final ReentrantLock lock = this.lock;
? ? ? ? lock.lockInterruptibly();
? ? ? ? try {
? ? ? ? ? ? while (count == items.length)
? ? ? ? ? ? ? ? notFull.await();
? ? ? ? ? ? insert(e);
? ? ? ? } finally {
? ? ? ? ? ? lock.unlock();
? ? ? ? }
}
public E take() throws InterruptedException {
? ? ? ? final ReentrantLock lock = this.lock;
? ? ? ? lock.lockInterruptibly();
? ? ? ? try {
? ? ? ? ? ? while (count == 0)
? ? ? ? ? ? ? ? notEmpty.await();
? ? ? ? ? ? return extract();
? } finally {
? ? ? ? ? ? lock.unlock();
? ? ? ? }
}
private void insert(E x) {
? ? ? ? items[putIndex] = x;
? ? ? ? putIndex = inc(putIndex);
? ? ? ? ++count;
? ? ? ? notEmpty.signal();
? ? }
當我們往隊列里插入一個元素時，如果隊列不可用，阻塞生產(chǎn)者主要通過LockSupport.park(this);來實現(xiàn)
public final void await() throws InterruptedException {
? ? ? ? ? ? if (Thread.interrupted())
? ? ? ? ? ? ? ? throw new InterruptedException();
? ? ? ? ? ? Node node = addConditionWaiter();
? ? ? ? ? ? int savedState = fullyRelease(node);
? ? ? ? ? ? int interruptMode = 0;
? ? ? ? ? ? while (!isOnSyncQueue(node)) {
? ? ? ? ? ? ? ? LockSupport.park(this);
? ? ? ? ? ? ? ? if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? break;
? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ? if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
? ? ? ? ? ? ? ? interruptMode = REINTERRUPT;
? ? ? ? ? ? if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
? ? ? ? ? ? ? ? unlinkCancelledWaiters();
? ? ? ? ? ? if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
? ? ? ? }
繼續(xù)進入源碼，發(fā)現(xiàn)調(diào)用setBlocker先保存下將要阻塞的線程，然后調(diào)用unsafe.park阻塞當前線程。
public static void park(Object blocker) {
? ? ? ? Thread t = Thread.currentThread();
? ? ? ? setBlocker(t, blocker);
? ? ? ? unsafe.park(false, 0L);
? ? ? ? setBlocker(t, null);
? ? }
unsafe.park是個native方法，代碼如下：
public native void park(boolean isAbsolute, long time);
park這個方法會阻塞當前線程，只有以下四種情況中的一種發(fā)生時，該方法才會返回。
與park對應的unpark執(zhí)行或已經(jīng)執(zhí)行時。注意：已經(jīng)執(zhí)行是指unpark先執(zhí)行，然后再執(zhí)行的park。
線程被中斷時。
如果參數(shù)中的time不是零，等待了指定的毫秒數(shù)時。
發(fā)生異常現(xiàn)象時。這些異常事先無法確定。
我們繼續(xù)看一下JVM是如何實現(xiàn)park方法的，park在不同的操作系統(tǒng)使用不同的方式實現(xiàn)，在linux下是使用的是系統(tǒng)方法pthread_cond_wait實現(xiàn)。實現(xiàn)代碼在JVM源碼路徑src/os/linux/vm/os_linux.cpp里的 os::PlatformEvent::park方法，代碼如下：
void os::PlatformEvent::park() {? ? ?
? ? ? ? int v ;
? ? for (;;) {
v = _Event ;
? ? if (Atomic::cmpxchg (v-1, &_Event, v) == v) break ;
? ? }
? ? guarantee (v >= 0, "invariant") ;
? ? if (v == 0) {
? ? // Do this the hard way by blocking ...
? ? int status = pthread_mutex_lock(_mutex);
? ? assert_status(status == 0, status, "mutex_lock");
? ? guarantee (_nParked == 0, "invariant") ;
? ? ++ _nParked ;
? ? while (_Event < 0) {
? ? status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);
? ? // for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ...
? ? // Treat this the same as if the wait was interrupted
? ? if (status == ETIME) { status = EINTR; }
? ? assert_status(status == 0 || status == EINTR, status, "cond_wait");
? ? }
? ? -- _nParked ;
? ? // In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(),
? ? // but then we'd need a MEMBAR after the ST.
? ? _Event = 0 ;
? ? status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
? ? assert_status(status == 0, status, "mutex_unlock");
? ? }
? ? guarantee (_Event >= 0, "invariant") ;
? ? }
? ? }
pthread_cond_wait是一個多線程的條件變量函數(shù)，cond是condition的縮寫，字面意思可以理解為線程在等待一個條件發(fā)生，這個條件是一個全局變量。這個方法接收兩個參數(shù)，一個共享變量_cond，一個互斥量_mutex。而unpark方法在linux下是使用pthread_cond_signal實現(xiàn)的。park 在windows下則是使用WaitForSingleObject實現(xiàn)的。
當隊列滿時，生產(chǎn)者往阻塞隊列里插入一個元素，生產(chǎn)者線程會進入WAITING (parking)狀態(tài)。我們可以使用jstack dump阻塞的生產(chǎn)者線程看到這點：
"main" prio=5 tid=0x00007fc83c000000 nid=0x10164e000 waiting on condition [0x000000010164d000]
? java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
? ? ? ? at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
? ? ? ? - parking to wait for? <0x0000000140559fe8> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject)
? ? ? ? at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186)
? ? ? ? at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2043)
? ? ? ? at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.put(ArrayBlockingQueue.java:324)
? ? ? ? at blockingqueue.ArrayBlockingQueueTest.main(ArrayBlockingQueueTest.java:11)
