java并发学习之BlockingQueue实现生产者消费者详解

 更新时间:2017年11月07日 17:36:50   作者:toMatser   我要评论
这篇文章主要介绍了java并发学习之BlockingQueue实现生产者消费者详解,具有一定参考价值,需要的朋友可以了解下。

1.介绍

     阻塞队列 (BlockingQueue)是Java util.concurrent包下重要的数据结构,BlockingQueue提供了线程安全的队列访问方式:当阻塞队列进行插入数据时,如果队列已满,线程将会阻塞等待直到队列非满;从阻塞队列取数据时,如果队列已空,线程将会阻塞等待直到队列非空。并发包下很多高级同步类的实现都是基于BlockingQueue实现的。

JDK7提供了以下7个阻塞队列:

ArrayBlockingQueue :由数组结构组成的有界阻塞队列。
LinkedBlockingQueue :由链表结构组成的有界阻塞队列。
PriorityBlockingQueue :支持优先级排序的无界阻塞队列。
DelayQueue:使用优先级队列实现的无界阻塞队列。
SynchronousQueue:不存储元素的阻塞队列。
LinkedTransferQueue:链表结构组成的无界阻塞队列。
LinkedBlockingDeque:链表结构组成的双向阻塞队列。

阻塞队列提供了下列四种处理方法:

这4类方法中,在队列已满(或为空)的情况下,有些会抛出异常,有些则返回true/false,有些则一直阻塞,还有些则可以设置超时时间,时间到了后,自动退出阻塞状态,实际项目中可根据需要选取适合的方法。

2.队列

队列(Queue)与栈(Stack)是数据结构中的二种常用结构,队列的特点是先进先出(FirstInFirstOut),而Stack是先进后出(FirstInLastOut),说得通俗点:Queue就是电影院入场时人们排起来的进场队伍,先来的人(即:前排在前面的人)先入场,而Statck则是一队人依次进入了一个死胡同想出来,先进去(最里面)的人,必须等后面的人(后进入的人)出来了,自己才能出来。

阻塞队列与普通队列的区别在于,当队列是空的时,从队列中获取元素的操作将会被阻塞,或者当队列是满时,往队列里添加元素的操作会被阻塞。试图从空的阻塞队列中获取元素的线程将会被阻塞,直到其他的线程往空的队列插入新的元素。同样,试图往已满的阻塞队列中添加新元素的线程同样也会被阻塞,直到其他的线程使队列重新变得空闲起来,如从队列中移除一个或者多个元素,或者完全清空队列.

队列在多线程应用中,常用于生产-消费场景,打个通俗的比方:很多人早上喜欢去买油条,买油条的人相当于消费者,做油条的师傅则是生产者。而油锅边上用于放油条的铁架子,可以看成一个共享的队列,师傅做好油条后,一根一根的捞出来放在架子上,而顾客则按排队的顺序一根根的付好钱从架子上拿。即:队列的一头,不断有人在放入东西(生产元素),另一头不断有人的消费(拿走元素)。这里就有一个很有趣的现象,如果买的人多,师傅来不及做,那么第一个顾客就会一直等着(后面的所有人也得等着,或称为阻塞了后面的人),直到师傅炸好一根,然后第一个顾客买完走了,后面的人才能顶上来,类似的道理,如果架子放满了,没有人来买,师傅就会停下来,等有人来买了,才会继续做,这就是所谓的队列阻塞,而能产生阻塞行为的队列称为阻塞队列。

从刚才的描述可以看出,发生阻塞起码得满足下面至少一个条件:(前提:队列是有界的)

1.从队列里取元素时,如果队列为空,则代码一直等在这里(即阻塞),直到队列里有东西了,拿到元素了,后面的代码才能继续;

2.向队列里放元素时,如果队列满了(即放不下更多元素),则代码也会卡住,直到队列里的东西被取走了(即:有空位可以放新元素了),后面的代码才能继续;

3.模拟生产者消费者

模拟了买油条的场景,1个老板在做油条,3个顾客在排队买:

package com.tl.skyLine.thread;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
/**
 * Created by tl on 17/3/3.
 */
public class BlockingQueueTest {
  //final成员变量表示常量,只能被赋值一次,赋值后值不再改变。
  private static final int queueSize = 5;
  private static final ArrayBlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(queueSize);
  private static final int produceSpeed = 2000;//生产速度(越小越快)
  private static final int consumeSpeed = 10;//消费速度(越小越快)
  //生产者
  public static class Producer implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
      while (true) {
        try {
          System.out.println("老板准备炸油条了,架子上还能放:" + (queueSize - queue.size()) + "根油条");
          queue.put("1根油条");
          System.out.println("老板炸好了1根油条,架子上还能放:" + (queueSize - queue.size()) + "根油条");
          Thread.sleep(produceSpeed);
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }
  }
  //消费者
  public static class Consumer implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
      while (true) {
        try {
          System.out.println("A 准备买油条了,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          queue.take();
          System.out.println("A 买到1根油条,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          Thread.sleep(consumeSpeed);
          System.out.println("B 准备买油条了,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          queue.take();
          System.out.println("B 买到1根油条,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          Thread.sleep(consumeSpeed);
          System.out.println("C 准备买油条了,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          queue.take();
          System.out.println("C 买到1根油条,架子上还剩" + queue.size() + "根油条");
          Thread.sleep(consumeSpeed);
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }
  }
  public static void main(String[] args) {
    Thread producer = new Thread(new Producer());
    Thread consumer = new Thread(new Consumer());
    producer.start();
    consumer.start();
  }
}

结果:

老板准备炸油条了,架子上还能放:5根油条
老板炸好了1根油条,架子上还能放:4根油条
A 准备买油条了,架子上还剩1根油条
A 买到1根油条,架子上还剩0根油条
B 准备买油条了,架子上还剩0根油条
老板准备炸油条了,架子上还能放:5根油条
老板炸好了1根油条,架子上还能放:4根油条
B 买到1根油条,架子上还剩0根油条
C 准备买油条了,架子上还剩0根油条
老板准备炸油条了,架子上还能放:5根油条
老板炸好了1根油条,架子上还能放:4根油条
C 买到1根油条,架子上还剩0根油条
A 准备买油条了,架子上还剩0根油条
老板准备炸油条了,架子上还能放:5根油条
老板炸好了1根油条,架子上还能放:4根油条
A 买到1根油条,架子上还剩0根油条
B 准备买油条了,架子上还剩0根油条
老板准备炸油条了,架子上还能放:5根油条
老板炸好了1根油条,架子上还能放:4根油条

上面设置消费速度快于生产速度,所有会发现控制台中,老板炸油条时,架子上油条卖得快,所以能放4根或者5根油条,而顾客由于购买速度快,所以会经常出现架子上还剩0根油条,当我们把生产速度produceSpeed跟消费速度consumeSpeed对换一下,又会发现相反的结果。

4.原理分析

我们简单模拟一下BlockingQueue,熟悉一下背后的原理:

public class BlockingQueue {
	private List queue = new LinkedList();
	private int limit = 10;
	public BlockingQueue(int limit){
		this.limit = limit;
	}
	public synchronized void enqueue(Object item)
	throws InterruptedException {
		while(this.queue.size() == this.limit) {
			wait();
		}
		if(this.queue.size() == 0) {
			notifyAll();
		}
		this.queue.add(item);
	}
	public synchronized Object dequeue()
	throws InterruptedException{
		while(this.queue.size() == 0){
			wait();
		}
		if(this.queue.size() == this.limit){
			notifyAll();
		}
		return this.queue.remove(0);
	}
}

我们看一下jdk的实现过程:

ArrayBlockingQueue的部分源码:

/** Main lock guarding all access */ 
final ReentrantLock lock; 
/** Condition for waiting takes */ 
private final Condition notEmpty; 
/** Condition for waiting puts */ 
private final Condition notFull; 

这3个变量很重要,ReentrantLock重入锁,notEmpty检查不为空的Condition以及notFull用来检查队列未满的Condition

Condition是一个接口,里面有二个重要的方法:

await():Causesthecurrentthreadtowaituntilitissignalledorinterrupted.即阻塞当前线程,直到被通知(唤醒)或中断

singal():Wakesuponewaitingthread.唤醒阻塞的线程

再来看put方法:(jdk1.8)

public void put(E e) throws InterruptedException {
  checkNotNull(e);
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  lock.lockInterruptibly();
  try {
    while (count == items.length)
      notFull.await();
    enqueue(e);
  } finally {
    lock.unlock();
  }
}

1.先获取锁
2.然后用while循环检测元素个数是否等于items长度,如果相等,表示队列满了,调用notFull的await()方法阻塞线程
3.否则调用enqueue()方法添加元素
4.最后解锁

这是添加元素的代码(jdk 1.8),注意最后一行notEmpty.signal()方法,表示添加完元素后,调用singal()通知等待(从队列中取元素)的线程,队列不空(有值)啦,可以来取东西了。

类似的take()与dequeue()方法则相当于逆过程(注:同样都是jdk 1.8)

public E take() throws InterruptedException {
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  lock.lockInterruptibly();
  try {
    while (count == 0)
      notEmpty.await();
    return dequeue();
  } finally {
    lock.unlock();
  }
}

类似的:

1. 先加锁
2. 如果元素个数为空,表示队列已空,调用notEmpty的await()阻塞线程,直接队列里又有新元素加入为止
3. 然后调用dequeue 从队列里删除元素
4. 解锁

dequeue方法:

private E dequeue() {
  // assert lock.getHoldCount() == 1;
  // assert items[takeIndex] != null;
  final Object[] items = this.items;
  @SuppressWarnings("unchecked")
  E x = (E) items[takeIndex];
  items[takeIndex] = null;
  if (++takeIndex == items.length)
    takeIndex = 0;
  count--;
  if (itrs != null)
    itrs.elementDequeued();
  notFull.signal();
  return x;
}

倒数第2行,元素移除后,调用notFull.singnal唤醒等待(向队列添加元素的)线程,队列有空位了,可以向里面添加元素了。

总结

以上就是本文关于java并发学习之BlockingQueue实现生产者消费者详解的全部内容,希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站:Java并发之嵌套管程锁死详解java并发编程之cas详解Java并发编程Semaphore计数信号量详解等,有什么问题可以随时留言,小编会及时回复大家的。感谢朋友们对本站的支持!

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