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剖析Java中阻塞队列的实现原理及应用场景

2015-12-07 14:35:24 作者：海子

这篇文章主要介绍了剖析Java中阻塞队列的实现原理及应用场景,这里也对阻塞和非阻塞队列的不同之处进行了对比,需要的朋友可以参考下

我们平时使用的一些常见队列都是非阻塞队列，比如PriorityQueue、LinkedList（LinkedList是双向链表，它实现了Dequeue接口）。
使用非阻塞队列的时候有一个很大问题就是：它不会对当前线程产生阻塞，那么在面对类似消费者-生产者的模型时，就必须额外地实现同步策略以及线程间唤醒策略，这个实现起来就非常麻烦。但是有了阻塞队列就不一样了，它会对当前线程产生阻塞，比如一个线程从一个空的阻塞队列中取元素，此时线程会被阻塞直到阻塞队列中有了元素。当队列中有元素后，被阻塞的线程会自动被唤醒（不需要我们编写代码去唤醒）。这样提供了极大的方便性。
一.几种主要的阻塞队列

　　自从Java 1.5之后，在java.util.concurrent包下提供了若干个阻塞队列，主要有以下几个：

　　ArrayBlockingQueue：基于数组实现的一个阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须制定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间最长的队列最优先能够访问队列。

　　LinkedBlockingQueue：基于链表实现的一个阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE。

　　PriorityBlockingQueue：以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue却不是，它会按照元素的优先级对元素进行排序，按照优先级顺序出队，每次出队的元素都是优先级最高的元素。注意，此阻塞队列为无界阻塞队列，即容量没有上限（通过源码就可以知道，它没有容器满的信号标志），前面2种都是有界队列。

　　DelayQueue：基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，DelayQueue中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻塞。

二.阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法

1.非阻塞队列中的几个主要方法：

　　add(E e):将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则会抛出异常；
　　remove()：移除队首元素，若移除成功，则返回true；如果移除失败（队列为空），则会抛出异常；
　　offer(E e)：将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则返回false；
　　poll()：移除并获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null；
　　peek()：获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null

　　对于非阻塞队列，一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法，不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意，非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。

2.阻塞队列中的几个主要方法：

　　阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法，上面列举的5个方法在阻塞队列中都存在，但是要注意这5个方法在阻塞队列中都进行了同步措施。除此之外，阻塞队列提供了另外4个非常有用的方法：

　　put(E e)
　　take()
　　offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)
　　poll(long timeout, TimeUnit unit)

　　put方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待；
　　take方法用来从队首取元素，如果队列为空，则等待；
　　offer方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果还没有插入成功，则返回false；否则返回true；
　　poll方法用来从队首取元素，如果队列空，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果取到，则返回null；否则返回取得的元素；

三.阻塞队列的实现原理

如果队列是空的，消费者会一直等待，当生产者添加元素时候，消费者是如何知道当前队列有元素的呢？如果让你来设计阻塞队列你会如何设计，让生产者和消费者能够高效率的进行通讯呢？让我们先来看看JDK是如何实现的。

使用通知模式实现。所谓通知模式，就是当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞住生产者，当消费者消费了一个队列中的元素后，会通知生产者当前队列可用。通过查看JDK源码发现ArrayBlockingQueue使用了Condition来实现，代码如下：

private final Condition notFull;
private final Condition notEmpty;

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
    //省略其他代码
    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();
  }

当我们往队列里插入一个元素时，如果队列不可用，阻塞生产者主要通过LockSupport.park(this);来实现

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);
    }

继续进入源码，发现调用setBlocker先保存下将要阻塞的线程，然后调用unsafe.park阻塞当前线程。

public static void park(Object blocker) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    setBlocker(t, blocker);
    unsafe.park(false, 0L);
    setBlocker(t, null);
  }

unsafe.park是个native方法，代码如下：

public native void park(boolean isAbsolute, long time);

park这个方法会阻塞当前线程，只有以下四种情况中的一种发生时，该方法才会返回。

与park对应的unpark执行或已经执行时。注意：已经执行是指unpark先执行，然后再执行的park。
线程被中断时。
如果参数中的time不是零，等待了指定的毫秒数时。
发生异常现象时。这些异常事先无法确定。
我们继续看一下JVM是如何实现park方法的，park在不同的操作系统使用不同的方式实现，在linux下是使用的是系统方法pthread_cond_wait实现。实现代码在JVM源码路径src/os/linux/vm/os_linux.cpp里的 os::PlatformEvent::park方法，代码如下：

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是一个多线程的条件变量函数，cond是condition的缩写，字面意思可以理解为线程在等待一个条件发生，这个条件是一个全局变量。这个方法接收两个参数，一个共享变量_cond，一个互斥量_mutex。而unpark方法在linux下是使用pthread_cond_signal实现的。park 在windows下则是使用WaitForSingleObject实现的。

当队列满时，生产者往阻塞队列里插入一个元素，生产者线程会进入WAITING (parking)状态。我们可以使用jstack dump阻塞的生产者线程看到这点：

"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)

四.示例和使用场景

　　下面先使用Object.wait()和Object.notify()、非阻塞队列实现生产者-消费者模式：

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("队列空，等待数据");
              queue.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
              queue.notify();
            }
          }
          queue.poll();     //每次移走队首元素
          queue.notify();
          System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
        }
      }
    }
  }
   
  class Producer extends Thread{
     
    @Override
    public void run() {
      produce();
    }
     
    private void produce() {
      while(true){
        synchronized (queue) {
          while(queue.size() == queueSize){
            try {
              System.out.println("队列满，等待有空余空间");
              queue.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
              queue.notify();
            }
          }
          queue.offer(1);    //每次插入一个元素
          queue.notify();
          System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));
        }
      }
    }
  }
}

　　这个是经典的生产者-消费者模式，通过阻塞队列和Object.wait()和Object.notify()实现，wait()和notify()主要用来实现线程间通信。

　　具体的线程间通信方式（wait和notify的使用）在后续问章中会讲述到。

　　下面是使用阻塞队列实现的生产者-消费者模式：

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("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
        } 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("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }
  }
}

　　有没有发现，使用阻塞队列代码要简单得多，不需要再单独考虑同步和线程间通信的问题。

　　在并发编程中，一般推荐使用阻塞队列，这样实现可以尽量地避免程序出现意外的错误。

　　阻塞队列使用最经典的场景就是socket客户端数据的读取和解析，读取数据的线程不断将数据放入队列，然后解析线程不断从队列取数据解析。还有其他类似的场景，只要符合生产者-消费者模型的都可以使用阻塞队列。

剖析Java中阻塞队列的实现原理及应用场景

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