剖析Java中阻塞队列的实现原理及应用场景

剖析Java中阻塞队列的实现原理及应用场景

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.lockIhttp://nterruptibly();

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 queue = new PriorityQueue(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 queue = new ArrayBlockingQueue(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。

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