『并发包入坑指北』之阻塞队列

Posted on 2019-04-09 Edited on 2019-05-08 In 并发 Views: Views: Disqus:

前言

较长一段时间以来我都发现不少开发者对 jdk 中的 J.U.C（java.util.concurrent）也就是 Java 并发包的使用甚少，更别谈对它的理解了；但这却也是我们进阶的必备关卡。

之前或多或少也分享过相关内容，但都不成体系；于是便想整理一套与并发包相关的系列文章。

其中的内容主要包含以下几个部分：

根据定义自己实现一个并发工具。
JDK 的标准实现。
实践案例。

基于这三点我相信大家对这部分内容不至于一问三不知。

既然开了一个新坑，就不想做的太差；所以我打算将这个列表下的大部分类都讲到。

所以本次重点讨论 ArrayBlockingQueue。

自己实现

在自己实现之前先搞清楚阻塞队列的几个特点：

基本队列特性：先进先出。
写入队列空间不可用时会阻塞。
获取队列数据时当队列为空时将阻塞。

实现队列的方式多种，总的来说就是数组和链表；其实我们只需要搞清楚其中一个即可，不同的特性主要表现为数组和链表的区别。

这里的 ArrayBlockingQueue 看名字很明显是由数组实现。

我们先根据它这三个特性尝试自己实现试试。

初始化队列

我这里自定义了一个类：ArrayQueue，它的构造函数如下：

1
2
3

public ArrayQueue(int size) {
    items = new Object[size];
}

很明显这里的 items 就是存放数据的数组；在初始化时需要根据大小创建数组。

写入队列

写入队列比较简单，只需要依次把数据存放到这个数组中即可，如下图：

但还是有几个需要注意的点：

队列满的时候，写入的线程需要被阻塞。
写入过队列的数量大于队列大小时需要从第一个下标开始写。

先看第一个队列满的时候，写入的线程需要被阻塞，先来考虑下如何才能使一个线程被阻塞，看起来的表象线程卡住啥事也做不了。

有几种方案可以实现这个效果:

Thread.sleep(timeout)线程休眠。
object.wait() 让线程进入 waiting 状态。

当然还有一些 join、LockSupport.part 等不在本次的讨论范围。

阻塞队列还有一个非常重要的特性是：当队列空间可用时（取出队列），写入线程需要被唤醒让数据可以写入进去。

所以很明显Thread.sleep(timeout)不合适，它在到达超时时间之后便会继续运行；达不到空间可用时才唤醒继续运行这个特点。

其实这样的一个特点很容易让我们想到 Java 的等待通知机制来实现线程间通信；更多线程见通信的方案可以参考这里：深入理解线程通信

所以我这里的做法是，一旦队列满时就将写入线程调用 object.wait() 进入 waiting 状态，直到空间可用时再进行唤醒。

/**
 * 队列满时的阻塞锁
 */
private Object full = new Object();

/**
 * 队列空时的阻塞锁
 */
private Object empty = new Object();

所以这里声明了两个对象用于队列满、空情况下的互相通知作用。

在写入数据成功后需要使用 empty.notify()，这样的目的是当获取队列为空时，一旦写入数据成功就可以把消费队列的线程唤醒。

这里的 wait 和 notify 操作都需要对各自的对象使用 synchronized 方法块，这是因为 wait 和 notify 都需要获取到各自的锁。

消费队列

上文也提到了：当队列为空时，获取队列的线程需要被阻塞，直到队列中有数据时才被唤醒。

代码和写入的非常类似，也很好理解；只是这里的等待、唤醒恰好是相反的，通过下面这张图可以很好理解：

总的来说就是：

写入队列满时会阻塞直到获取线程消费了队列数据后唤醒写入线程。
消费队列空时会阻塞直到写入线程写入了队列数据后唤醒消费线程。

测试

先来一个基本的测试：单线程的写入和消费。

通过结果来看没什么问题。

当写入的数据超过队列的大小时，就只能消费之后才能接着写入。

2019-04-09 16:24:41.040 [Thread-0] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - [Thread-0]123
2019-04-09 16:24:41.040 [main] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - size=3
2019-04-09 16:24:41.047 [main] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - 1234
2019-04-09 16:24:41.048 [main] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - 12345
2019-04-09 16:24:41.048 [main] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - 123456

从运行结果也能看出只有当消费数据后才能接着往队列里写入数据。