JAVA多線程提高十二:阻塞隊列應用

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一、類相關屬性

介面BlockingQueue<E>定義：

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {    boolean    add(E e);    boolean    offer(E e);       void    put(E e) throws InterruptedException;    boolean    offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;          E    take() throws InterruptedException;          E    poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;        int    remainingCapacity();    boolean    remove(Object o);     public    boolean contains(Object o);        int    drainTo(Collection<? super E> c);        int    drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements);}

方法摘要 

在所有方法對類中儲存資料的數組做操作時，需要擷取鎖lock。

方法	摘要
boolean offer(E e)	將指定元素插入此隊列中（如果立即可行且不會違反容量限制），成功時返回 true，如果當前沒有可用的空間，則返回 false。
boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)	將指定元素插入此隊列中，在到達指定的等待時間前等待可用的空間（如果有必要）。判斷是否有可用空間，如果沒有可用空間，等待timeout時間是否有可用空閑。
boolean add(E e)	將指定元素插入此隊列中（如果立即可行且不會違反容量限制），成功時返回 true，如果當前沒有可用的空間，則拋出 IllegalStateException。其實就是調用了offer(e)方法，如果offer(e)返回false就拋出異常
void put(E e)	將指定元素插入此隊列中，將等待可用的空間（如果有必要）。如果沒有空閑會一直等待，除非被interrupt了。
E take()	擷取並移除此隊列的頭部，在元素變得可用之前一直等待（如果有必要）。如果沒有資料就一直阻塞。
E poll()	擷取並移除此隊列的頭部，如果沒資料直接返回false，不阻塞。
E poll(long timeout, TimeUnit unit)	擷取並移除此隊列的頭部，在指定的等待時間前等待可用的元素（如果有必要）。如果沒資料就等待timeout時間，逾時還沒資料返回null。類似於boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
boolean remove(Object o)	從此隊列中移除指定元素的單個執行個體（如果存在）。存在並刪除返回true，否則返回false。
E peek()	擷取但不刪除此隊列的頭部，如果沒資料直接返回null，不阻塞。
E element()	調用E peek()方法，如果peek傳回值不為null，則element返回該值，否則拋出NoSuchElementException異常。
boolean contains(Object o)	如果此隊列包含指定元素，則返回 true。類似remove(Object o)操作。
int drainTo(Collection c)	移除此隊列中所有可用的元素，並將它們添加到給定 collection 中。
int drainTo(Collection c, int maxElements)	最多從此隊列中移除給定數量的可用元素，並將這些元素添加到給定 collection 中。
int remainingCapacity()	返回在無阻塞的理想情況下（不存在記憶體或資源約束）此隊列能接受的附加元素數量；如果沒有內部限制，則返回 Integer.MAX_VALUE。

BlockingQueue 方法以四種形式出現，對於不能立即滿足但可能在將來某一時刻可以滿足的操作，這四種形式的處理方式不同：第一種是拋出一個異常，第二種是返回一個特殊值（null 或 false，具體取決於操作），第三種是在操作可以成功前，無限期地阻塞當前線程，第四種是在放棄前只在給定的最大時間限制內阻塞。下表中總結了這些方法：

拋出異常	特殊值	阻塞	逾時
插入	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e, time, unit)
移除	remove()	poll()	take()	poll(time, unit)
檢查	element()	peek()	不可用	不可用

二、Java裡的阻塞隊列

JDK7提供了7個阻塞隊列。分別是

• ArrayBlockingQueue ：一個由數組結構組成的有界阻塞隊列。
• LinkedBlockingQueue ：一個由鏈表結構組成的有界阻塞隊列。
• PriorityBlockingQueue ：一個支援優先順序排序的無界阻塞隊列。
• DelayQueue：一個使用優先順序隊列實現的無界阻塞隊列。
• SynchronousQueue：一個不儲存元素的阻塞隊列。
• LinkedTransferQueue：一個由鏈表結構組成的無界阻塞隊列。
• LinkedBlockingDeque：一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一個用數組實現的有界阻塞隊列。此隊列按照先進先出（FIFO）的原則對元素進行排序。預設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者線程或消費者線程，當隊列可用時，可以按照阻塞的先後順序訪問隊列，即先阻塞的生產者線程，可以先往隊列裡插入元素，先阻塞的消費者線程，可以先從隊列裡擷取元素。通常情況下為了保證公平性會降低輸送量。我們可以使用以下代碼建立一個公平的阻塞隊列：

ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);

ArrayBlockingQueue源碼非常值得分析，因為用了之前部落格裡講的Lock、Condition等知識。也可參考這篇部落格第八章 ArrayBlockingQueue源碼解析

程式碼範例：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;import java.util.concurrent.BlockingQueue;public class BlockingQueueTest {    public static void main(String[] args) {        final BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(3);        for(int i=0;i<2;i++){            new Thread(){                public void run(){                    while(true){                        try {                            Thread.sleep((long)(Math.random()*1000));                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "準備放資料!");                                                        queue.put(1);                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已經放了資料，" +                                                                     "隊列目前有" + queue.size() + "個資料");                        } catch (InterruptedException e) {                            e.printStackTrace();                        }                    }                }            }.start();        }        new Thread(){            public void run(){                while(true){                    try {                        //將此處的睡眠時間分別改為100和1000，觀察運行結果                        Thread.sleep(1000);                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "準備取資料!");                        queue.take();                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已經取走資料，" +                                                             "隊列目前有" + queue.size() + "個資料");                                        } catch (InterruptedException e) {                        e.printStackTrace();                    }                }            }        }.start();                }}

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是一個用鏈表實現的有界阻塞隊列。此隊列的預設和最大長度為Integer.MAX_VALUE。此隊列按照先進先出的原則對元素進行排序。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一個支援優先順序的無界隊列。預設情況下元素採取自然順序排列，也可以通過比較子comparator來指定元素的定序。元素按照升序排列。

DelayQueue

DelayQueue是一個支援延時擷取元素的無界阻塞隊列。隊列使用PriorityQueue來實現。隊列中的元素必須實現Delayed介面，在建立元素時可以指定多久才能從隊列中擷取當前元素。只有在延遲期滿時才能從隊列中提取元素。我們可以將DelayQueue運用在以下應用情境：

• 緩衝系統的設計：可以用DelayQueue儲存緩衝元素的有效期間，使用一個線程迴圈查詢DelayQueue，一旦能從DelayQueue中擷取元素時，表示緩衝有效期間到了。
• 定時任務調度。使用DelayQueue儲存當天將會執行的任務和執行時間，一旦從DelayQueue中擷取到任務就開始執行，從比如TimerQueue就是使用DelayQueue實現的。

隊列中的Delayed必須實現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?Delayed介面 
我們可以參考ScheduledThreadPoolExecutor裡ScheduledFutureTask類。這個類實現了Delayed介面。首先：在對象建立的時候，使用time記錄前對象什麼時候可以使用，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();}

然後使用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);}

通過建構函式可以看出延遲時間參數ns的單位是納秒，自己設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小於目前時間時，getDelay會返回負數。

如何?延時隊列

延時隊列的實現很簡單，當消費者從隊列裡擷取元素時，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

SynchronousQueue是一個不儲存元素的阻塞隊列。每一個put操作必須等待一個take操作，否則不能繼續添加元素。SynchronousQueue可以看成是一個傳球手，負責把生產者線程處理的資料直接傳遞給消費者線程。隊列本身並不儲存任何元素，非常適合於傳遞性情境,比如在一個線程中使用的資料，傳遞給另外一個線程使用，SynchronousQueue的輸送量高於LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一個由鏈表結構組成的無界阻塞TransferQueue隊列。相對於其他阻塞隊列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節點，並等到該元素被消費者消費了才返回。transfer方法的關鍵代碼如下：

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節點作為tail節點。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後使用Thread.yield()方法來暫停當前正在執行的線程，並執行其他線程。

tryTransfer方法。則是用來試探下生產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。

對於帶有時間限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法，則是試圖把生產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，如果逾時還沒消費元素，則返回false，如果在逾時時間內消費了元素，則返回true。

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是一個由鏈表結構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單詞結尾的方法，表示插入，擷取（peek）或移除雙端隊列的第一個元素。以Last單詞結尾的方法，表示插入，擷取或移除雙端隊列的最後一個元素。另外插入方法add等同於addLast，移除方法remove等效於removeFirst。但是take方法卻等同於takeFirst，不知道是不是Jdk的bug，使用時還是用帶有First和Last尾碼的方法更清楚。在初始化LinkedBlockingDeque時可以初始化隊列的容量，用來防止其再擴容時過渡膨脹。另外雙向阻塞隊列可以運用在“工作竊取”模式中。

 

參考資料：

《多線程視頻》張孝祥

<<聊聊並發（七）——Java中的阻塞隊列>>

JAVA多線程提高十二:阻塞隊列應用