Java并发之BlockingQueue的使用

Java并发之BlockingQueue的使用

本文主要讲的是并发包中涉及到的集合，关于普通集合，请参考【java 集合概览】

一、什么是BlockingQueue

BlockingQueue即阻塞队列，从阻塞这个词可以看出，在某些情况下对阻塞队列的访问可能会造成阻塞。被阻塞的情况主要有如下两种：

1. 当队列满了的时候进行入队列操作

2. 当队列空了的时候进行出队列操作

因此，当一个线程试图对一个已经满了的队列进行入队列操作时，它将会被阻塞，除非有另一个线程做了出队列操作；同样，当一个线程试图对一个空队列进行出队列操作时，它将会被阻塞，除非有另一个线程进行了入队列操作。

在Java中，BlockingQueue的接口位于java.util.concurrent 包中(在Java5版本开始提供)，由上面介绍的阻塞队列的特性可知，阻塞队列是线程安全的。

二、BlockingQueue的用法

阻塞队列主要用在生产者/消费者的场景，下面这幅图展示了一个线程生产、一个线程消费的场景：

负责生产的线程不断的制造新对象并插入到阻塞队列中，直到达到这个队列的上限值。队列达到上限值之后生产线程将会被阻塞，直到消费的线程对这个队列进行消费。同理，负责消费的线程不断的从队列中消费对象，直到这个队列为空，当队列为空时，消费线程将会被阻塞，除非队列中有新的对象被插入。

三、BlockingQueue接口中的方法

阻塞队列一共有四套方法分别用来进行insert、remove和examine，当每套方法对应的操作不能马上执行时会有不同的反应，下面这个表格就分类列出了这些方法：

-

Throws Exception

Special Value

Blocks

Times Out

Insert

add(o)

offer(o)

put(o)

offer(o, timeout, timeunit)

Remove

remove(o)

poll()

take()

poll(timeout, timeunit)

Examine

element()

peek()

这四套方法对应的特点分别是：

1. ThrowsException：如果操作不能马上进行，则抛出异常

2. SpecialValue：如果操作不能马上进行，将会返回一个特殊的值，一般是true或者false

3. Blocks:如果操作不能马上进行，操作会被阻塞

4. TimesOut:如果操作不能马上进行，操作会被阻塞指定的时间，如果指定时间没执行，则返回一个特殊值，一般是true或者false

需要注意的是，我们不能向BlockingQueue中插入null，否则会报NullPointerException。

四、BlockingQueue的实现类

BlockingQueue只是java.util.concurrent包中的一个接口，而在具体使用时，我们用到的是它的实现类，当然这些实现类也位于java.util.concurrent包中。在Java6中，BlockingQueue的实现类主要有以下几种：

1. ArrayBlockingQueue

2. DelayQueue

3. LinkedBlockingQueue

4. PriorityBlockingQueue

5. SynchronousQueue

下面我们就分别介绍这几个实现类。

4.1 ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个有边界的阻塞队列，它的内部实现是一个数组。有边界的意思是它的容量是有限的，我们必须在其初始化的时候指定它的容量大小，容量大小一旦指定就不可改变。

ArrayBlockingQueue是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。下面是一个初始化和使用ArrayBlockingQueue的例子：

BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(1024);

queue.put("1");

Object object = queue.take();

4.2 DelayQueue

DelayQueue阻塞的是其内部元素，DelayQueue中的元素必须实现 java.util.concurrent.Delayed接口，这个接口的定义非常简单：

public interface Delayed extends Comparable {

long getDelay(TimeUnit unit);

}

getDelay()方法的返回值就是队列元素被释放前的保持时间，如果返回0或者一个负值，就意味着该元素已经到期需要被释放，此时DelayedQueue会通过其take()方法释放此对象。

从上面Delayed 接口定义可以看到，它还继承了Comparable接口，这是因为DelayedQueue中的元素需要进行排序，一般情况，我们都是按元素过期时间的优先级进行排序。

例1：为一个对象指定过期时间

首先，我们先定义一个元素，这个元素要实现Delayed接口

public class DelayedElement implements Delayed {

private long expired;

private long delay;

private String name;

DelayedElement(String elementName, long delay) {

this. name = elementName;

this. delay= delay;

expired = ( delay + System. currentTimeMillis());

}

@Override

public int compareTo(Delayed o) {

DelayedElement cached=(DelayedElement) o;

return cached.getExpired()> expired?1:-1;

}

@Override

public long getDelay(TimeUnit unit) {

return ( expired - System. currentTimeMillis());

}

@Override

public String toString() {

return "DelayedElement [delay=" + delay + ", name=" + name + "]";

}

public long getExpired() {

return expired;

}

}

设置这个元素的过期时间为3s

public class DelayQueueExample {

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

DelayQueue queue= new DelayQueue<>();

DelayedElement ele= new DelayedElement( "cache 3 seconds",3000);

queue.put( ele);

System. out.println( queue.take());

}

}

运行这个main函数，我们可以发现，我们需要等待3s之后才会打印这个对象。

其实DelayQueue应用场景很多，比如定时关闭连接、缓存对象，超时处理等各种场景，下面我们就拿学生考试为例让大家更深入的理解DelayQueue的使用。

例2：把所有考试的学生看做是一个DelayQueue，谁先做完题目释放谁

首先，我们构造一个学生对象

public class Student imphttp://lements Runnable,Delayed{

private String name; //姓名

private long costTime;//做试题的时间

private long finishedTime;//完成时间

public Student(String name, long costTime) {

this. name = name;

this. costTime= costTime;

finishedTime = costTime + System. currentTimeMillis();

}

@Override

public void run() {

System. out.println( name + " 交卷,用时" + costTime /1000);

}

@Override

public long getDelay(TimeUnit unit) {

return ( finishedTime - System. currentTimeMillis());

}

@Override

public int compareTo(Delayed o) {

Student other = (Student) o;

return costTime >= other. costTime?1:-1;

}

}

然后在构造一个教师对象对学生进行考试

public class Teacher {

static final int STUDENT_SIZE = 30;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

Random r = new Random();

//把所有学生看做一个延迟队列

DelayQueue students = new DelayQueue();

//构造一个线程池用来让学生们“做作业”

ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(STUDENT_SIZE);

for ( int i = 0; i < STUDENT_SIZE; i++) {

//初始化学生的姓名和做题时间

students.put( new Student( "学生" + (i + 1), 3000 + r.nextInt(10000)));

}

//开始做题

while(! students.isEmpty()){

exec.execute( students.take());

}

exec.shutdown();

}

}

我们看一下运行结果：

学生2 交卷,用时3

学生1 交卷,用时5

学生5 交卷,用时7

学生4 交卷,用时8

学生3 交卷,用时11

http://

通过运行结果我们可以发现，每个学生在指定开始时间到达之后就会“交卷”（取决于getDelay()方法），并且是先做完的先交卷（取决于compareTo()方法）。

通过查看其源码可以看到，DelayQueue内部实现用的是PriorityQueue和一个Lock：

4.3 LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue阻塞队列大小的配置是可选的，如果我们初始化时指定一个大小，它就是有边界的，如果不指定，它就是无边界的。说是无边界，其实是采用了默认大小为Integer.MAX_VALUE的容量 。它的内部实现是一个链表。

和ArrayBlockingQueue一样，LinkedBlockingQueue 也是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。下面是一个初始化和使LinkedBlockingQueue的例子：

BlockingQueue unbounded = new LinkedBlockingQueue();

BlockingQueue bounded = new LinkedBlockingQueue(1024);

bounded.put("Value");

String value = bounded.take();

4.4 PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个没有边界的队列，它的排序规则和 java.util.PriorityQueue一样。需要注意，PriorityBlockingQueue中允许插入null对象。

所有插入PriorityBlockingQueue的对象必须实现 java.lang.Comparable接口，队列优先级的排序规则就是按照我们对这个接口的实现来定义的。

另外，我们可以从PriorityBlockingQueue获得一个迭代器Iterator，但这个迭代器并不保证按照优先级顺序进行迭代。

下面我们举个例子来说明一下，首先我们定义一个对象类型，这个对象需要实现Comparable接口：

public class PriorityElement implements Comparable {

private int priority;//定义优先级

PriorityElement(int priority) {

//初始化优先级

this.priority = priority;

}

@Override

public int compareTo(PriorityElement o) {

//按照优先级大小进行排序

return priority >= o.getPriority() ? 1 : -1;

}

public int getPriority() {

return priority;

}

public void setPriority(int priority) {

this.priority = priority;

}

@Override

public String toString() {

return "PriorityElement [priority=" + priority + "]";

}

}

然后我们把这些元素随机设置优先级放入队列中

public class PriorityBlockingQueueExample {

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

PriorityBlockingQueue queue = new PriorityBlockingQueue<>();

for (int i = 0; i < 5; i++) {

Random random=new Random();

PriorityElement ele = new PriorityElement(random.nextInt(10));

queue.put(ele);

}

while(!queue.isEmpty()){

System.out.println(queue.take());

}

}

}

看一下运行结果：

PriorityElement [priority=3]

PriorityElement [priority=4]

PriorityElement [priority=5]

PriorityElement [priorithttp://y=8]

PriorityElement [priority=9]

4.5 SynchronousQueue

SynchronousQueue队列内部仅允许容纳一个元素。当一个线程插入一个元素后会被阻塞，除非这个元素被另一个线程消费。

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