內(nèi)容摘自聊聊并發(fā)（七）——Java中的阻塞隊(duì)列

1. 什么是阻塞隊(duì)列？

阻塞隊(duì)列（BlockingQueue）是一個(gè)支持兩個(gè)附加操作的隊(duì)列。這兩個(gè)附加的操作是：在隊(duì)列為空時(shí)，獲取元素的線程會(huì)等待隊(duì)列變?yōu)榉强?。?dāng)隊(duì)列滿時(shí)，存儲(chǔ)元素的線程會(huì)等待隊(duì)列可用。阻塞隊(duì)列常用于生產(chǎn)者和消費(fèi)者的場(chǎng)景，生產(chǎn)者是往隊(duì)列里添加元素的線程，消費(fèi)者是從隊(duì)列里拿元素的線程。阻塞隊(duì)列就是生產(chǎn)者存放元素的容器，而消費(fèi)者也只從容器里拿元素。

阻塞隊(duì)列提供了四種處理方法:

方法\處理方式拋出異常返回特殊值一直阻塞超時(shí)退出

插入方法add(e)offer(e)put(e)offer(e,time,unit)

移除方法remove()poll()take()poll(time,unit)

檢查方法element()peek()不可用不可用

拋出異常：是指當(dāng)阻塞隊(duì)列滿時(shí)候，再往隊(duì)列里插入元素，會(huì)拋出IllegalStateException("Queue full")異常。當(dāng)隊(duì)列為空時(shí)，從隊(duì)列里獲取元素時(shí)會(huì)拋出NoSuchElementException異常 。

返回特殊值：插入方法會(huì)返回是否成功，成功則返回true。移除方法，則是從隊(duì)列里拿出一個(gè)元素，如果沒有則返回null

一直阻塞：當(dāng)阻塞隊(duì)列滿時(shí)，如果生產(chǎn)者線程往隊(duì)列里put元素，隊(duì)列會(huì)一直阻塞生產(chǎn)者線程，直到拿到數(shù)據(jù)，或者響應(yīng)中斷退出。當(dāng)隊(duì)列空時(shí)，消費(fèi)者線程試圖從隊(duì)列里take元素，隊(duì)列也會(huì)阻塞消費(fèi)者線程，直到隊(duì)列可用。

超時(shí)退出：當(dāng)阻塞隊(duì)列滿時(shí)，隊(duì)列會(huì)阻塞生產(chǎn)者線程一段時(shí)間，如果超過一定的時(shí)間，生產(chǎn)者線程就會(huì)退出。

2. Java里的阻塞隊(duì)列

JDK7提供了7個(gè)阻塞隊(duì)列。分別是

ArrayBlockingQueue ：一個(gè)由數(shù)組結(jié)構(gòu)組成的有界阻塞隊(duì)列。

LinkedBlockingQueue ：一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的有界阻塞隊(duì)列。

PriorityBlockingQueue ：一個(gè)支持優(yōu)先級(jí)排序的無界阻塞隊(duì)列。

DelayQueue：一個(gè)使用優(yōu)先級(jí)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的無界阻塞隊(duì)列。

SynchronousQueue：一個(gè)不存儲(chǔ)元素的阻塞隊(duì)列。

LinkedTransferQueue：一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的無界阻塞隊(duì)列。

LinkedBlockingDeque：一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的雙向阻塞隊(duì)列。

ArrayBlockingQueue是一個(gè)用數(shù)組實(shí)現(xiàn)的有界阻塞隊(duì)列。此隊(duì)列按照先進(jìn)先出（FIFO）的原則對(duì)元素進(jìn)行排序。默認(rèn)情況下不保證訪問者公平的訪問隊(duì)列，所謂公平訪問隊(duì)列是指阻塞的所有生產(chǎn)者線程或消費(fèi)者線程，當(dāng)隊(duì)列可用時(shí)，可以按照阻塞的先后順序訪問隊(duì)列，即先阻塞的生產(chǎn)者線程，可以先往隊(duì)列里插入元素，先阻塞的消費(fèi)者線程，可以先從隊(duì)列里獲取元素。通常情況下為了保證公平性會(huì)降低吞吐量。我們可以使用以下代碼創(chuàng)建一個(gè)公平的阻塞隊(duì)列：

ArrayBlockingQueue fairQueue = new? ArrayBlockingQueue(1000,true);

訪問者的公平性是使用可重入鎖實(shí)現(xiàn)的，代碼如下：

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {

? ? ? ? if (capacity <= 0)

? ? ? ? ? ? throw new IllegalArgumentException();

? ? ? ? this.items = new Object[capacity];

? ? ? ? lock = new ReentrantLock(fair);

? ? ? ? notEmpty = lock.newCondition();

? ? ? ? notFull =? lock.newCondition();

}

LinkedBlockingQueue是一個(gè)用鏈表實(shí)現(xiàn)的有界阻塞隊(duì)列。此隊(duì)列的默認(rèn)和最大長(zhǎng)度為Integer.MAX_VALUE。此隊(duì)列按照先進(jìn)先出的原則對(duì)元素進(jìn)行排序。

PriorityBlockingQueue是一個(gè)支持優(yōu)先級(jí)的無界隊(duì)列。默認(rèn)情況下元素采取自然順序排列，也可以通過比較器comparator來指定元素的排序規(guī)則。元素按照升序排列。

DelayQueue是一個(gè)支持延時(shí)獲取元素的無界阻塞隊(duì)列。隊(duì)列使用PriorityQueue來實(shí)現(xiàn)。隊(duì)列中的元素必須實(shí)現(xiàn)Delayed接口，在創(chuàng)建元素時(shí)可以指定多久才能從隊(duì)列中獲取當(dāng)前元素。只有在延遲期滿時(shí)才能從隊(duì)列中提取元素。我們可以將DelayQueue運(yùn)用在以下應(yīng)用場(chǎng)景：

緩存系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：可以用DelayQueue保存緩存元素的有效期，使用一個(gè)線程循環(huán)查詢DelayQueue，一旦能從DelayQueue中獲取元素時(shí)，表示緩存有效期到了。

定時(shí)任務(wù)調(diào)度。使用DelayQueue保存當(dāng)天將會(huì)執(zhí)行的任務(wù)和執(zhí)行時(shí)間，一旦從DelayQueue中獲取到任務(wù)就開始執(zhí)行，從比如TimerQueue就是使用DelayQueue實(shí)現(xiàn)的。

隊(duì)列中的Delayed必須實(shí)現(xiàn)compareTo來指定元素的順序。比如讓延時(shí)時(shí)間最長(zhǎng)的放在隊(duì)列的末尾。實(shí)現(xiàn)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);

? ? ? ? }

如何實(shí)現(xiàn)Delayed接口

我們可以參考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask類。這個(gè)類實(shí)現(xiàn)了Delayed接口。首先：在對(duì)象創(chuàng)建的時(shí)候，使用time記錄前對(duì)象什么時(shí)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();

}

然后使用getDelay可以查詢當(dāng)前元素還需要延時(shí)多久，代碼如下：

public long getDelay(TimeUnit unit) {

? ? ? ? ? ? return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);

? ? ? ? }

通過構(gòu)造函數(shù)可以看出延遲時(shí)間參數(shù)ns的單位是納秒，自己設(shè)計(jì)的時(shí)候最好使用納秒，因?yàn)間etDelay時(shí)可以指定任意單位，一旦以納秒作為單位，而延時(shí)的時(shí)間又精確不到納秒就麻煩了。使用時(shí)請(qǐng)注意當(dāng)time小于當(dāng)前時(shí)間時(shí)，getDelay會(huì)返回負(fù)數(shù)。

如何實(shí)現(xiàn)延時(shí)隊(duì)列

延時(shí)隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，當(dāng)消費(fèi)者從隊(duì)列里獲取元素時(shí)，如果元素沒有達(dá)到延時(shí)時(shí)間，就阻塞當(dāng)前線程。

long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? if (delay <= 0)

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? return q.poll();

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? else if (leader != null)

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? available.await();

SynchronousQueue是一個(gè)不存儲(chǔ)元素的阻塞隊(duì)列。每一個(gè)put操作必須等待一個(gè)take操作，否則不能繼續(xù)添加元素。SynchronousQueue可以看成是一個(gè)傳球手，負(fù)責(zé)把生產(chǎn)者線程處理的數(shù)據(jù)直接傳遞給消費(fèi)者線程。隊(duì)列本身并不存儲(chǔ)任何元素，非常適合于傳遞性場(chǎng)景,比如在一個(gè)線程中使用的數(shù)據(jù)，傳遞給另外一個(gè)線程使用，SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

LinkedTransferQueue是一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的無界阻塞TransferQueue隊(duì)列。相對(duì)于其他阻塞隊(duì)列，LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。

transfer方法。如果當(dāng)前有消費(fèi)者正在等待接收元素（消費(fèi)者使用take()方法或帶時(shí)間限制的poll()方法時(shí)），transfer方法可以把生產(chǎn)者傳入的元素立刻transfer（傳輸）給消費(fèi)者。如果沒有消費(fèi)者在等待接收元素，transfer方法會(huì)將元素存放在隊(duì)列的tail節(jié)點(diǎn)，并等到該元素被消費(fèi)者消費(fèi)了才返回。transfer方法的關(guān)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(dāng)前元素的s節(jié)點(diǎn)作為tail節(jié)點(diǎn)。第二行代碼是讓CPU自旋等待消費(fèi)者消費(fèi)元素。因?yàn)樽孕龝?huì)消耗CPU，所以自旋一定的次數(shù)后使用Thread.yield()方法來暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的線程，并執(zhí)行其他線程。

tryTransfer方法。則是用來試探下生產(chǎn)者傳入的元素是否能直接傳給消費(fèi)者。如果沒有消費(fèi)者等待接收元素，則返回false。和transfer方法的區(qū)別是tryTransfer方法無論消費(fèi)者是否接收，方法立即返回。而transfer方法是必須等到消費(fèi)者消費(fèi)了才返回。

對(duì)于帶有時(shí)間限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法，則是試圖把生產(chǎn)者傳入的元素直接傳給消費(fèi)者，但是如果沒有消費(fèi)者消費(fèi)該元素則等待指定的時(shí)間再返回，如果超時(shí)還沒消費(fèi)元素，則返回false，如果在超時(shí)時(shí)間內(nèi)消費(fèi)了元素，則返回true。

LinkedBlockingDeque是一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的雙向阻塞隊(duì)列。所謂雙向隊(duì)列指的你可以從隊(duì)列的兩端插入和移出元素。雙端隊(duì)列因?yàn)槎嗔艘粋€(gè)操作隊(duì)列的入口，在多線程同時(shí)入隊(duì)時(shí)，也就減少了一半的競(jìng)爭(zhēng)。相比其他的阻塞隊(duì)列，LinkedBlockingDeque多了addFirst，addLast，offerFirst，offerLast，peekFirst，peekLast等方法，以First單詞結(jié)尾的方法，表示插入，獲?。╬eek）或移除雙端隊(duì)列的第一個(gè)元素。以Last單詞結(jié)尾的方法，表示插入，獲取或移除雙端隊(duì)列的最后一個(gè)元素。另外插入方法add等同于addLast，移除方法remove等效于removeFirst。但是take方法卻等同于takeFirst，不知道是不是Jdk的bug，使用時(shí)還是用帶有First和Last后綴的方法更清楚。

在初始化LinkedBlockingDeque時(shí)可以設(shè)置容量防止其過渡膨脹。另外雙向阻塞隊(duì)列可以運(yùn)用在“工作竊取”模式中。

3. 阻塞隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)原理

如果隊(duì)列是空的，消費(fèi)者會(huì)一直等待，當(dāng)生產(chǎn)者添加元素時(shí)候，消費(fèi)者是如何知道當(dāng)前隊(duì)列有元素的呢？如果讓你來設(shè)計(jì)阻塞隊(duì)列你會(huì)如何設(shè)計(jì)，讓生產(chǎn)者和消費(fèi)者能夠高效率的進(jìn)行通訊呢？讓我們先來看看JDK是如何實(shí)現(xiàn)的。

使用通知模式實(shí)現(xiàn)。所謂通知模式，就是當(dāng)生產(chǎn)者往滿的隊(duì)列里添加元素時(shí)會(huì)阻塞住生產(chǎn)者，當(dāng)消費(fèi)者消費(fèi)了一個(gè)隊(duì)列中的元素后，會(huì)通知生產(chǎn)者當(dāng)前隊(duì)列可用。通過查看JDK源碼發(fā)現(xiàn)ArrayBlockingQueue使用了Condition來實(shí)現(xiàn)，代碼如下：

private final Condition notFull;

private final Condition notEmpty;

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {

? ? ? ? //省略其他代碼

? ? ? ? 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();

? ? }

當(dāng)我們往隊(duì)列里插入一個(gè)元素時(shí)，如果隊(duì)列不可用，阻塞生產(chǎn)者主要通過LockSupport.park(this);來實(shí)現(xiàn)

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);

? ? ? ? }

繼續(xù)進(jìn)入源碼，發(fā)現(xiàn)調(diào)用setBlocker先保存下將要阻塞的線程，然后調(diào)用unsafe.park阻塞當(dāng)前線程。

public static void park(Object blocker) {

? ? ? ? Thread t = Thread.currentThread();

? ? ? ? setBlocker(t, blocker);

? ? ? ? unsafe.park(false, 0L);

? ? ? ? setBlocker(t, null);

? ? }

unsafe.park是個(gè)native方法，代碼如下：

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

park這個(gè)方法會(huì)阻塞當(dāng)前線程，只有以下四種情況中的一種發(fā)生時(shí)，該方法才會(huì)返回。

與park對(duì)應(yīng)的unpark執(zhí)行或已經(jīng)執(zhí)行時(shí)。注意：已經(jīng)執(zhí)行是指unpark先執(zhí)行，然后再執(zhí)行的park。

線程被中斷時(shí)。

如果參數(shù)中的time不是零，等待了指定的毫秒數(shù)時(shí)。

發(fā)生異?，F(xiàn)象時(shí)。這些異常事先無法確定。

我們繼續(xù)看一下JVM是如何實(shí)現(xiàn)park方法的，park在不同的操作系統(tǒng)使用不同的方式實(shí)現(xiàn)，在linux下是使用的是系統(tǒng)方法pthread_cond_wait實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)代碼在JVM源碼路徑src/os/linux/vm/os_linux.cpp里的 os::PlatformEvent::park方法，代碼如下：

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是一個(gè)多線程的條件變量函數(shù)，cond是condition的縮寫，字面意思可以理解為線程在等待一個(gè)條件發(fā)生，這個(gè)條件是一個(gè)全局變量。這個(gè)方法接收兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)共享變量_cond，一個(gè)互斥量_mutex。而unpark方法在linux下是使用pthread_cond_signal實(shí)現(xiàn)的。park 在windows下則是使用WaitForSingleObject實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)隊(duì)列滿時(shí)，生產(chǎn)者往阻塞隊(duì)列里插入一個(gè)元素，生產(chǎn)者線程會(huì)進(jìn)入WAITING (parking)狀態(tài)。我們可以使用jstack dump阻塞的生產(chǎn)者線程看到這點(diǎn)：

"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)