BlockingQueue（阻塞隊(duì)列）詳解

一. 前言

在新增的Concurrent包中，BlockingQueue很好的解決了多線程中，如何高效安全“傳輸”數(shù)據(jù)的問題。通過這些高效并且線程安全的隊(duì)列類，為我們快速搭建高質(zhì)量的多線程程序帶來極大的便利。本文詳細(xì)介紹了BlockingQueue家庭中的所有成員，包括他們各自的功能以及常見使用場(chǎng)景。

二. 認(rèn)識(shí)BlockingQueue

阻塞隊(duì)列，顧名思義，首先它是一個(gè)隊(duì)列，而一個(gè)隊(duì)列在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中所起的作用大致如下圖所示：

常用的隊(duì)列主要有以下兩種：(當(dāng)然通過不同的實(shí)現(xiàn)方式，還可以延伸出很多不同類型的隊(duì)列，DelayQueue就是其中的一種)

先進(jìn)先出(FIFO)：先插入的隊(duì)列的元素也最先出隊(duì)列，類似于排隊(duì)的功能。從某種程度上來說這種隊(duì)列也體現(xiàn)了一種公平性。

后進(jìn)先出(LIFO)：后插入隊(duì)列的元素最先出隊(duì)列，這種隊(duì)列優(yōu)先處理最近發(fā)生的事件。

多線程環(huán)境中，通過隊(duì)列可以很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，比如經(jīng)典的“生產(chǎn)者”和“消費(fèi)者”模型中，通過隊(duì)列可以很便利地實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)共享。假設(shè)我們有若干生產(chǎn)者線程，另外又有若干個(gè)消費(fèi)者線程。如果生產(chǎn)者線程需要把準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)共享給消費(fèi)者線程，利用隊(duì)列的方式來傳遞數(shù)據(jù)，就可以很方便地解決他們之間的數(shù)據(jù)共享問題。但如果生產(chǎn)者和消費(fèi)者在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)，萬一發(fā)生數(shù)據(jù)處理速度不匹配的情況呢？理想情況下，如果生產(chǎn)者產(chǎn)出數(shù)據(jù)的速度大于消費(fèi)者消費(fèi)的速度，并且當(dāng)生產(chǎn)出來的數(shù)據(jù)累積到一定程度的時(shí)候，那么生產(chǎn)者必須暫停等待一下(阻塞生產(chǎn)者線程)，以便等待消費(fèi)者線程把累積的數(shù)據(jù)處理完畢，反之亦然。然而，在concurrent包發(fā)布以前，在多線程環(huán)境下，我們每個(gè)程序員都必須去自己控制這些細(xì)節(jié)，尤其還要兼顧效率和線程安全，而這會(huì)給我們的程序帶來不小的復(fù)雜度。好在此時(shí)，強(qiáng)大的concurrent包橫空出世了，而他也給我們帶來了強(qiáng)大的BlockingQueue。(在多線程領(lǐng)域：所謂阻塞，在某些情況下會(huì)掛起線程(即阻塞)，一旦條件滿足，被掛起的線程又會(huì)自動(dòng)被喚醒)，下面兩幅圖演示了BlockingQueue的兩個(gè)常見阻塞場(chǎng)景：

三. BlockingQueue的核心方法：

1.放入數(shù)據(jù)

(1)offer(anObject):表示如果可能的話,將anObject加到BlockingQueue里,即如果BlockingQueue可以容納,則返回true,否則返回false.(本方法不阻塞當(dāng)前執(zhí)行方法的線程)；

(2)offer(E o, long timeout, TimeUnit unit)：可以設(shè)定等待的時(shí)間，如果在指定的時(shí)間內(nèi)，還不能往隊(duì)列中加入BlockingQueue，則返回失敗。

(3)put(anObject):把a(bǔ)nObject加到BlockingQueue里,如果BlockQueue沒有空間,則調(diào)用此方法的線程被阻斷直到BlockingQueue里面有空間再繼續(xù).

2. 獲取數(shù)據(jù)

(1)poll(time):取走BlockingQueue里排在首位的對(duì)象,若不能立即取出,則可以等time參數(shù)規(guī)定的時(shí)間,取不到時(shí)返回null;

(2)poll(long timeout, TimeUnit unit)：從BlockingQueue取出一個(gè)隊(duì)首的對(duì)象，如果在指定時(shí)間內(nèi)，隊(duì)列一旦有數(shù)據(jù)可取，則立即返回隊(duì)列中的數(shù)據(jù)。否則知道時(shí)間超時(shí)還沒有數(shù)據(jù)可取，返回失敗。

(3)take():取走BlockingQueue里排在首位的對(duì)象,若BlockingQueue為空,阻斷進(jìn)入等待狀態(tài)直到BlockingQueue有新的數(shù)據(jù)被加入;

(4)drainTo():一次性從BlockingQueue獲取所有可用的數(shù)據(jù)對(duì)象(還可以指定獲取數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù))，通過該方法，可以提升獲取數(shù)據(jù)效率；不需要多次分批加鎖或釋放鎖。

四. 常見BlockingQueue

在了解了BlockingQueue的基本功能后，讓我們來看看BlockingQueue家庭大致有哪些成員？

基于數(shù)組的阻塞隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，在ArrayBlockingQueue內(nèi)部，維護(hù)了一個(gè)定長數(shù)組，以便緩存隊(duì)列中的數(shù)據(jù)對(duì)象，這是一個(gè)常用的阻塞隊(duì)列，除了一個(gè)定長數(shù)組外，ArrayBlockingQueue內(nèi)部還保存著兩個(gè)整形變量，分別標(biāo)識(shí)著隊(duì)列的頭部和尾部在數(shù)組中的位置。

ArrayBlockingQueue在生產(chǎn)者放入數(shù)據(jù)和消費(fèi)者獲取數(shù)據(jù)，都是共用同一個(gè)鎖對(duì)象，由此也意味著兩者無法真正并行運(yùn)行，這點(diǎn)尤其不同于LinkedBlockingQueue；按照實(shí)現(xiàn)原理來分析，ArrayBlockingQueue完全可以采用分離鎖，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者和消費(fèi)者操作的完全并行運(yùn)行。Doug Lea之所以沒這樣去做，也許是因?yàn)锳rrayBlockingQueue的數(shù)據(jù)寫入和獲取操作已經(jīng)足夠輕巧，以至于引入獨(dú)立的鎖機(jī)制，除了給代碼帶來額外的復(fù)雜性外，其在性能上完全占不到任何便宜。 ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue間還有一個(gè)明顯的不同之處在于，前者在插入或刪除元素時(shí)不會(huì)產(chǎn)生或銷毀任何額外的對(duì)象實(shí)例，而后者則會(huì)生成一個(gè)額外的Node對(duì)象。這在長時(shí)間內(nèi)需要高效并發(fā)地處理大批量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，其對(duì)于GC的影響還是存在一定的區(qū)別。而在創(chuàng)建ArrayBlockingQueue時(shí)，我們還可以控制對(duì)象的內(nèi)部鎖是否采用公平鎖，默認(rèn)采用非公平鎖。

2.LinkedBlockingQueue

基于鏈表的阻塞隊(duì)列，同ArrayListBlockingQueue類似，其內(nèi)部也維持著一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列(該隊(duì)列由一個(gè)鏈表構(gòu)成)，當(dāng)生產(chǎn)者往隊(duì)列中放入一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，隊(duì)列會(huì)從生產(chǎn)者手中獲取數(shù)據(jù)，并緩存在隊(duì)列內(nèi)部，而生產(chǎn)者立即返回；只有當(dāng)隊(duì)列緩沖區(qū)達(dá)到最大值緩存容量時(shí)(LinkedBlockingQueue可以通過構(gòu)造函數(shù)指定該值)，才會(huì)阻塞生產(chǎn)者隊(duì)列，直到消費(fèi)者從隊(duì)列中消費(fèi)掉一份數(shù)據(jù)，生產(chǎn)者線程會(huì)被喚醒，反之對(duì)于消費(fèi)者這端的處理也基于同樣的原理。而LinkedBlockingQueue之所以能夠高效的處理并發(fā)數(shù)據(jù)，還因?yàn)槠鋵?duì)于生產(chǎn)者端和消費(fèi)者端分別采用了獨(dú)立的鎖來控制數(shù)據(jù)同步，這也意味著在高并發(fā)的情況下生產(chǎn)者和消費(fèi)者可以并行地操作隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，以此來提高整個(gè)隊(duì)列的并發(fā)性能。

作為開發(fā)者，我們需要注意的是，如果構(gòu)造一個(gè)LinkedBlockingQueue對(duì)象，而沒有指定其容量大小，LinkedBlockingQueue會(huì)默認(rèn)一個(gè)類似無限大小的容量(Integer.MAX_VALUE)，這樣的話，如果生產(chǎn)者的速度一旦大于消費(fèi)者的速度，也許還沒有等到隊(duì)列滿阻塞產(chǎn)生，系統(tǒng)內(nèi)存就有可能已被消耗殆盡了。

ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue是兩個(gè)最普通也是最常用的阻塞隊(duì)列，一般情況下，在處理多線程間的生產(chǎn)者消費(fèi)者問題，使用這兩個(gè)類足以。

3. DelayQueue

DelayQueue中的元素只有當(dāng)其指定的延遲時(shí)間到了，才能夠從隊(duì)列中獲取到該元素。DelayQueue是一個(gè)沒有大小限制的隊(duì)列，因此往隊(duì)列中插入數(shù)據(jù)的操作(生產(chǎn)者)永遠(yuǎn)不會(huì)被阻塞，而只有獲取數(shù)據(jù)的操作(消費(fèi)者)才會(huì)被阻塞。

使用場(chǎng)景：

DelayQueue使用場(chǎng)景較少，但都相當(dāng)巧妙，常見的例子比如使用一個(gè)DelayQueue來管理一個(gè)超時(shí)未響應(yīng)的連接隊(duì)列。

4. PriorityBlockingQueue

基于優(yōu)先級(jí)的阻塞隊(duì)列(優(yōu)先級(jí)的判斷通過構(gòu)造函數(shù)傳入的Compator對(duì)象來決定)，但需要注意的是PriorityBlockingQueue并不會(huì)阻塞數(shù)據(jù)生產(chǎn)者，而只會(huì)在沒有可消費(fèi)的數(shù)據(jù)時(shí)，阻塞數(shù)據(jù)的消費(fèi)者。因此使用的時(shí)候要特別注意，生產(chǎn)者生產(chǎn)數(shù)據(jù)的速度絕對(duì)不能快于消費(fèi)者消費(fèi)數(shù)據(jù)的速度，否則時(shí)間一長，會(huì)最終耗盡所有的可用堆內(nèi)存空間。在實(shí)現(xiàn)PriorityBlockingQueue時(shí)，內(nèi)部控制線程同步的鎖采用的是公平鎖。

5. SynchronousQueue

一種無緩沖的等待隊(duì)列，類似于無中介的直接交易，有點(diǎn)像原始社會(huì)中的生產(chǎn)者和消費(fèi)者，生產(chǎn)者拿著產(chǎn)品去集市銷售給產(chǎn)品的最終消費(fèi)者，而消費(fèi)者必須親自去集市找到所要商品的直接生產(chǎn)者，如果一方?jīng)]有找到合適的目標(biāo)，那么對(duì)不起，大家都在集市等待。相對(duì)于有緩沖的BlockingQueue來說，少了一個(gè)中間經(jīng)銷商的環(huán)節(jié)(緩沖區(qū))，如果有經(jīng)銷商，生產(chǎn)者直接把產(chǎn)品批發(fā)給經(jīng)銷商，而無需在意經(jīng)銷商最終會(huì)將這些產(chǎn)品賣給那些消費(fèi)者，由于經(jīng)銷商可以庫存一部分商品，因此相對(duì)于直接交易模式，總體來說采用中間經(jīng)銷商的模式會(huì)吞吐量高一些(可以批量買賣)；但另一方面，又因?yàn)榻?jīng)銷商的引入，使得產(chǎn)品從生產(chǎn)者到消費(fèi)者中間增加了額外的交易環(huán)節(jié)，單個(gè)產(chǎn)品的及時(shí)響應(yīng)性能可能會(huì)降低。

聲明一個(gè)SynchronousQueue有兩種不同的方式，它們之間有著不太一樣的行為。公平模式和非公平模式的區(qū)別:

如果采用公平模式：SynchronousQueue會(huì)采用公平鎖，并配合一個(gè)FIFO隊(duì)列來阻塞多余的生產(chǎn)者和消費(fèi)者，從而體系整體的公平策略；

但如果是非公平模式(SynchronousQueue默認(rèn))：SynchronousQueue采用非公平鎖，同時(shí)配合一個(gè)LIFO隊(duì)列來管理多余的生產(chǎn)者和消費(fèi)者，而后一種模式，如果生產(chǎn)者和消費(fèi)者的處理速度有差距，則很容易出現(xiàn)饑渴的情況，即可能有某些生產(chǎn)者或者是消費(fèi)者的數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)都得不到處理。

五. 小結(jié)

BlockingQueue不光實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整隊(duì)列所具有的基本功能，同時(shí)在多線程環(huán)境下，他還自動(dòng)管理了多線間的自動(dòng)等待于喚醒功能，從而使得程序員可以忽略這些細(xì)節(jié)，關(guān)注更高級(jí)的功能。

注意：該隨筆內(nèi)容完全引自http://wsmajunfeng.iteye.com/blog/1629354，寫的很好，非常感謝，復(fù)制過來算是個(gè)積累，怕以后找不到。

任務(wù)調(diào)度 多線程

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