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用Java如何设计一个阻塞队列,然后说说ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue

作者:互联网

前言

用Java如何设计一个阻塞队列,这个问题是在面滴滴的时候被问到的。当时确实没回答好,只是说了用个List,然后消费者再用个死循环一直去监控list的是否有值,有值的话就处理List里面的内容。回头想想,自己真是一个大傻X,也只有我才会这么设计一个阻塞队列(再说,我这也不是阻塞的队列)。
结果自己面试完之后,也没去总结这部分知识,然后过了一段时间,某教育机构的面试又被问到类似的问题了,只不过是换了一个形式,“请用wait方法和notify方法实现一套有生产者和消费者的这种逻辑”。然后我就又蒙圈了,追悔莫及,为啥我没有去了解一下这部分知识,所以这次我准备好好总结一下这部分内容。

具体实现

如果说实现一个队列,那么一个LinkedList的这种实现了Queue接口的都可以直接使用,或者自己写一个先进先出的Array都可以。
但是要做到阻塞就还需要进行阻塞的实现,就是说当队列是空时,如果再继续从队列中获取数据,将会被阻塞,直到有新的数据入队列才停止阻塞;还有当队列已经满了(到达设置的最大容量),再往队列里添加元素的操作也会被阻塞,直到有数据从队列中被移除

这里首先要有一个锁,保证同时只能有一个线程执行出队列、同时只能有一个线程执行入队列。而执行出队列和入队列的线程的阻塞和唤醒,是靠wait()方法和notifyAll()方法来实现的。

代码实现如下:

public class MyBlockQueue {

    /**
     * 队列长度默认为10
     */
    private int limit = 10;
    private Queue queue = new LinkedList<>();

    /**
     * 初始化队列容量
     * @param limit 队列容量
     */
    public MyBlockQueue(int limit){
        this.limit = limit;
    }

    /**
     * 入队列
     * @param object    队列元素
     * @throws InterruptedException
     */
    public synchronized boolean push(Object object) throws InterruptedException{
        // 如果队列已满,再来添加队列的线程就直接阻塞等待。
        while (this.queue.size() == this.limit){
            wait();
        }
        // 如果队列为空了,就唤醒所有阻塞的线程。
        if(this.queue.size() == 0){
            notifyAll();
        }
        // 入队
        boolean add = this.queue.offer(object);
        return add;
    }

    /**
     * 出队列
     * @return
     * @throws InterruptedException
     */
    public synchronized Object pop() throws InterruptedException{
        // 如果出队列时,队列为空,则阻塞队列。
        while (this.queue.size() == 0){
            wait();
        }
        // 如果队列重新满了之后,唤醒阻塞的所有线程。
        if(this.queue.size() == this.limit){
            notifyAll();
        }
        Object poll = this.queue.poll();
        return poll;
    }

}

Java中阻塞队列的实现

首先我们先来归纳一下,Java中有哪些已经实现好了的阻塞队列:

队列 描述
ArrayBlockingQueue 基于数组结构实现的一个有界阻塞队列
LinkedBlockingQueue 基于链表结构实现的一个有界阻塞队列
PriorityBlockingQueue 支持按优先级排序的无界阻塞队列
DelayQueue 基于优先级队列(PriorityBlockingQueue)实现的无界阻塞队列
SynchronousQueue 不存储元素的阻塞队列
LinkedTransferQueue 基于链表结构实现的一个无界阻塞队列
LinkedBlockingDeque 基于链表结构实现的一个双端阻塞队列

我们这次主要来看一下ArrayBlockingQueueLinkedBlockingQueue这两个阻塞队列。
在介绍这两个阻塞队列时,先普及两个知识,就是ReentrantLockCondition的几个方法。因为JDK中的这些阻塞队列加锁时基本上都是通过这两种方式的API来实现的。

ReentrantLock

Condition

通常和ReentrantLock一起使用的

ArrayBlockingQueue

构造方法

首先来看一下ArrayBlockingQueue的初始化方法
ArrayBlockingQueue初始化
ArrayBlockingQueue初始化
ArrayBlockingQueue是有三个构造方法的,但是都是基于ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair)来实现的,所以只要了解这一个构造方法即可。
主要是:

入队列

下面来看一下入队列操作
ArrayBlockingQueue的put
ArrayBlockingQueue的offer
无论put()方法还是offer()方法,在入队列时都是先加锁,然后最终入队列都是调用的enqueue()方法,只不过put方法是阻塞入队列,就是说如果队列已满,入队列的线程会被阻塞,而offer方法则不会阻塞入队列不成功的线程,offer执行入队列不成功的线程直接返回失败,其实还有一个add方法也是入队列,和offer方法一直都是非阻塞入队

下面来一下enqueue()方法。
在这里插入图片描述
enqueue()方法其实步骤也不复杂,主要是入队列操作是从数组的尾部入,然后出队列是从队列的头部出,这样当队列满了的时候,下一次再入队列时的位置应该从队列的头部开始入了。所以才会有重置putIndex的操作。

如果不能理解可以看下面的图片,正常队列未满时,从数组尾部入队列,头部出队列。
数组队列未满时正常入队操作
当队列满了之后,入队列就要从数组头部位置开始了。
在这里插入图片描述

出队列

下面来看一下ArrayBlockingQueue的出队列方法
ArrayBlockingQueue的poll方法
ArrayBlockingQueue的take方法
我们通过上面两张源码的截图可以看出来,无论是poll()方法还是take()方法,最终出队列调用的都是dequeue()方法,只不过take()是阻塞的方式出队列,当队列为空时直接将出队列线程阻塞并放到等待队列中。

那么dequeue()是如何出队列的呢?
ArrayBlockingQueue的dequeue()
我们通过源码可知,出队列是根据出队列索引takeIndex来决定该出哪一个元素了,如果当前出队列的元素的索引正好是数组容量的最后一个元素,那么出队列索引takeIndex也要重新从头开始记录了。后面再更新迭代器中的数据,以及唤醒阻塞中的入队线程。

还有两个出队列的方法remove(Object o)removeAt(final int removeIndex)这两个方法稍微复杂一些,因为首先要定位到要移除的元素的位置,然后再执行出队操作,remove最终执行的出队方法是依赖removeAt(final int removeIndex),而removeAt的出队操作是定位到要移除的元素位置后,将takeIndex位置的元素替换掉要移除的元素,就完成了出队操作 。

LinkedBlockingQueue

构造方法

LinkedBlockingQueue的初始化队列的数据信息时是在构造方法中进行的,但是实现阻塞队列需要的核心能力是在JVM为对象分配空间时就初始化好了的。
LinkedBlockingQueue数据初始化
LinkedBlockingQueue的构造方法

入队列

从初始化数据的时候可以看到,LinkedBlockingQueue是有两个锁的,入队列有入队列的锁,出队列有出队列的锁,是两个独立的重入锁。这样入队列和出队列相互对立的处理,大大的提高了队列的吞吐量。
LinkedBlockingQueue的put方法
LinkedBlockingQueue的offer方法
我们看到LinkedBlockingQueue的入队列的两个方法put和offer(其实还有一个add方法,但是具体实现也是调用的offer方法),put方法是阻塞入队,即当队列满了的时候阻塞入队列的线程,而offer则不是阻塞入队,入队列成功即返回true否则返回false。

这两个方法底层调用的都是enqueue()方法,我们看一下这个方法具体是怎么执行的入队列。
LinkedBlockingQueue的enqueue方法
enqueue()方法逻辑比较简单,就是将元素添加到链表的尾部。
LinkedBlockingQueue

出队列

LinkedBlockingQueue的出队列方法,是先获取出队列的takeLock,然后再执行出队列方法。
LinkedBlockingQueue的take方法
LinkedBlockingQueue的poll方法
take方法和poll方法前者在队列为空后,会阻塞出队列的线程,后者poll方法则不会在队列为空时阻塞出队列线程,会直接返回null。

无论是take方法还是poll方法都是调用的dequeue()方法执行的出队列,那么看一下dequeue()方法的实现吧。一直忘记说了,我这次贴出来的源码都是JDK1.8版本的。
LinkedBlockingQueue的dequeue方法
我们看到dequeue()执行了一个比较绕的逻辑,主要意思是将头节点后的第一个不为null的节点移除队列了,并设置了新的头节点位置。

我们来仔细拆分一下步骤,就好理解了,初始时,头节点的值是null(new Node(null))但是next指向的是队列中的第二个节点。

我们可以通过下面图来更清晰的看一下:
LinkedBlockingQueue的出队列
我们再来看一下出队列的另一个方法remove。
LinkedBlockingQueue的remove方法
执行remove()方法的时候,要将出队列锁和入队列的锁都加上,这两个操作要等待remove()方法执行完毕后再操作。为了就是保证在remove()方法寻找指定元素时有入队和出队操作导致遍历操作混乱。

我们再来看一下unlink()方法,主要还是将元素从链表中移除,若移除的元素为last元素,做一些处理等。
在这里插入图片描述

总结

标签:Java,队列,LinkedBlockingQueue,阻塞,线程,ArrayBlockingQueue,方法,节点
来源: https://www.cnblogs.com/jimoer/p/14887921.html