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第5章 多线程 - 阻塞队列

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小牛编辑
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2023-12-01

1. 什么是阻塞队列？

阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是：在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素。

阻塞队列提供了四种处理方法

方法\处理方式抛出异常返回特殊值一直阻塞超时退出
插入方法add(e)offer(e)put(e)offer(e,time,unit)
移除方法remove()poll()take()poll(time,unit)
检查方法element()peek()不可用不可用
  • 抛出异常：是指当阻塞队列满时候，再往队列里插入元素，会抛出IllegalStateException(“Queue full”)异常。当队列为空时，从队列里获取元素时会抛出NoSuchElementException异常 。
  • 返回特殊值：插入方法会返回是否成功，成功则返回true。移除方法，则是从队列里拿出一个元素，如果没有则返回null
  • 一直阻塞：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里put元素，队列会一直阻塞生产者线程，直到拿到数据，或者响应中断退出。当队列空时，消费者线程试图从队列里take元素，队列也会阻塞消费者线程，直到队列可用。
  • 超时退出：当阻塞队列满时，队列会阻塞生产者线程一段时间，如果超过一定的时间，生产者线程就会退出。

2. Java里的阻塞队列

JDK7提供了7个阻塞队列。分别是

  • ArrayBlockingQueue ：一个由数组结构组成的有界阻塞队列
  • LinkedBlockingQueue ：一个由链表结构组成的有界阻塞队列
  • PriorityBlockingQueue ：一个支持优先级排序的无界阻塞队列
  • DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列
  • SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列
  • LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列
  • LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列

ArrayBlockingQueue是一个用数组实现的有界阻塞队列。此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。默认情况下不保证访问者公平的访问队列，所谓公平访问队列是指阻塞的所有生产者线程或消费者线程，当队列可用时，可以按照阻塞的先后顺序访问队列，即先阻塞的生产者线程，可以先往队列里插入元素，先阻塞的消费者线程，可以先从队列里获取元素。通常情况下为了保证公平性会降低吞吐量。我们可以使用以下代码创建一个公平的阻塞队列：

  1. ArrayBlockingQueue fairQueue = new  ArrayBlockingQueue(1000,true);

访问者的公平性是使用可重入锁实现的，代码如下：

  1. public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
  2.         if (capacity <= 0)
  3.             throw new IllegalArgumentException();
  4.         this.items = new Object[capacity];
  5.         lock = new ReentrantLock(fair);
  6.         notEmpty = lock.newCondition();
  7.         notFull =  lock.newCondition();
  8. }

LinkedBlockingQueue是一个用链表实现的有界阻塞队列。此队列的默认和最大长度为Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。

PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界队列。默认情况下元素采取自然顺序排列，也可以通过比较器comparator来指定元素的排序规则。元素按照升序排列。

DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用PriorityQueue来实现。队列中的元素必须实现Delayed接口，在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。我们可以将DelayQueue运用在以下应用场景：

  • 缓存系统的设计：可以用DelayQueue保存缓存元素的有效期，使用一个线程循环查询DelayQueue，一旦能从DelayQueue中获取元素时，表示缓存有效期到了。
  • 定时任务调度。使用DelayQueue保存当天将会执行的任务和执行时间，一旦从DelayQueue中获取到任务就开始执行，从比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。

队列中的Delayed必须实现compareTo来指定元素的顺序。比如让延时时间最长的放在队列的末尾。实现代码如下：

  1. public int compareTo(Delayed other) {
  2.            if (other == this) // compare zero ONLY if same object
  3.                 return 0;
  4.             if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
  5.                 ScheduledFutureTask x = (ScheduledFutureTask)other;
  6.                 long diff = time - x.time;
  7.                 if (diff < 0)
  8.                     return -1;
  9.                 else if (diff > 0)
  10.                     return 1;
  11.        else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)
  12.                     return -1;
  13.                 else
  14.                     return 1;
  15.             }
  16.             long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -
  17.                       other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
  18.             return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
  19.         }

如何实现Delayed接口

我们可以参考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask类。这个类实现了Delayed接口。首先：在对象创建的时候，使用time记录前对象什么时候可以使用，代码如下：

  1. ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
  2.             super(r, result);
  3.             this.time = ns;
  4.             this.period = period;
  5.             this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
  6. }

然后使用getDelay可以查询当前元素还需要延时多久，代码如下：

  1. public long getDelay(TimeUnit unit) {
  2.             return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
  3.         }

通过构造函数可以看出延迟时间参数ns的单位是纳秒，自己设计的时候最好使用纳秒，因为getDelay时可以指定任意单位，一旦以纳秒作为单位，而延时的时间又精确不到纳秒就麻烦了。使用时请注意当time小于当前时间时，getDelay会返回负数。

如何实现延时队列

延时队列的实现很简单，当消费者从队列里获取元素时，如果元素没有达到延时时间，就阻塞当前线程。

  1. long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
  2.                     if (delay <= 0)
  3.                         return q.poll();
  4.                     else if (leader != null)
  5.                         available.await();

SynchronousQueue是一个不存储元素的阻塞队列。每一个put操作必须等待一个take操作，否则不能继续添加元素。SynchronousQueue可以看成是一个传球手，负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。队列本身并不存储任何元素，非常适合于传递性场景,比如在一个线程中使用的数据，传递给另外一个线程使用，SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

LinkedTransferQueue是一个由链表结构组成的无界阻塞TransferQueue队列。相对于其他阻塞队列，LinkedTransferQueue多了tryTransfer()和transfer()方法。

transfer()方法。如果当前有消费者正在等待接收元素（消费者使用take()方法或带时间限制的poll()方法时），transfer()方法可以把生产者传入的元素立刻transfer（传输）给消费者。如果没有消费者在等待接收元素，transfer()方法会将元素存放在队列的tail节点，并等到该元素被消费者消费了才返回。transfer()方法的关键代码如下：

  1. Node pred = tryAppend(s, haveData);
  2. return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);

第一行代码是试图把存放当前元素的s节点作为tail节点。第二行代码是让CPU自旋等待消费者消费元素。因为自旋会消耗CPU，所以自旋一定的次数后使用Thread.yield()方法来暂停当前正在执行的线程，并执行其他线程。

tryTransfer方法。则是用来试探下生产者传入的元素是否能直接传给消费者。如果没有消费者等待接收元素，则返回false。和transfer方法的区别是tryTransfer方法无论消费者是否接收，方法立即返回。而transfer方法是必须等到消费者消费了才返回。

对于带有时间限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法，则是试图把生产者传入的元素直接传给消费者，但是如果没有消费者消费该元素则等待指定的时间再返回，如果超时还没消费元素，则返回false，如果在超时时间内消费了元素，则返回true。

LinkedBlockingDeque是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的你可以从队列的两端插入和移出元素。双端队列因为多了一个操作队列的入口，在多线程同时入队时，也就减少了一半的竞争。相比其他的阻塞队列，LinkedBlockingDeque多了addFirst，addLast，offerFirst，offerLast，peekFirst，peekLast等方法，以First单词结尾的方法，表示插入，获取（peek）或移除双端队列的第一个元素。以Last单词结尾的方法，表示插入，获取或移除双端队列的最后一个元素。另外插入方法add等同于addLast，移除方法remove等效于removeFirst。但是take方法却等同于takeFirst，不知道是不是Jdk的bug，使用时还是用带有First和Last后缀的方法更清楚。

在初始化LinkedBlockingDeque时可以设置容量防止其过渡膨胀。另外双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。

3. 阻塞队列的实现原理

如果队列是空的，消费者会一直等待，当生产者添加元素时候，消费者是如何知道当前队列有元素的呢？如果让你来设计阻塞队列你会如何设计，让生产者和消费者能够高效率的进行通讯呢？让我们先来看看JDK是如何实现的。

使用通知模式实现。所谓通知模式，就是当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞住生产者，当消费者消费了一个队列中的元素后，会通知生产者当前队列可用。通过查看JDK源码发现ArrayBlockingQueue使用了Condition来实现，代码如下：

  1. private final Condition notFull;
  2. private final Condition notEmpty;
  4. public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
  5.         //省略其他代码
  6.         notEmpty = lock.newCondition();
  7.         notFull =  lock.newCondition();
  8.     }
  10. public void put(E e) throws InterruptedException {
  11.         checkNotNull(e);
  12.         final ReentrantLock lock = this.lock;
  13.         lock.lockInterruptibly();
  14.         try {
  15.             while (count == items.length)
  16.                 notFull.await();
  17.             insert(e);
  18.         } finally {
  19.             lock.unlock();
  20.         }
  21. }
  23. public E take() throws InterruptedException {
  24.         final ReentrantLock lock = this.lock;
  25.         lock.lockInterruptibly();
  26.         try {
  27.             while (count == 0)
  28.                 notEmpty.await();
  29.             return extract();
  30.   } finally {
  31.             lock.unlock();
  32.         }
  33. }
  35. private void insert(E x) {
  36.         items[putIndex] = x;
  37.         putIndex = inc(putIndex);
  38.         ++count;
  39.         notEmpty.signal();
  40.     }

当我们往队列里插入一个元素时，如果队列不可用，阻塞生产者主要通过LockSupport.park(this);来实现

  1. public final void await() throws InterruptedException {
  2.             if (Thread.interrupted())
  3.                 throw new InterruptedException();
  4.             Node node = addConditionWaiter();
  5.             int savedState = fullyRelease(node);
  6.             int interruptMode = 0;
  7.             while (!isOnSyncQueue(node)) {
  8.                 LockSupport.park(this);
  9.                 if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
  10.                     break;
  11.             }
  12.             if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
  13.                 interruptMode = REINTERRUPT;
  14.             if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
  15.                 unlinkCancelledWaiters();
  16.             if (interruptMode != 0)
  18. reportInterruptAfterWait(interruptMode);
  19.         }

继续进入源码，发现调用setBlocker先保存下将要阻塞的线程，然后调用unsafe.park阻塞当前线程。

  1. public static void park(Object blocker) {
  2.         Thread t = Thread.currentThread();
  3.         setBlocker(t, blocker);
  4.         unsafe.park(false, 0L);
  5.         setBlocker(t, null);
  6.     }

unsafe.park是个native方法，代码如下：

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

park这个方法会阻塞当前线程，只有以下四种情况中的一种发生时，该方法才会返回。

  • 与park对应的unpark执行或已经执行时。注意：已经执行是指unpark先执行，然后再执行的park。
  • 线程被中断时。
  • 如果参数中的time不是零，等待了指定的毫秒数时。
  • 发生异常现象时。这些异常事先无法确定。

我们继续看一下JVM是如何实现park方法的，park在不同的操作系统使用不同的方式实现，在linux下是使用的是系统方法pthread_cond_wait实现。实现代码在JVM源码路径src/os/linux/vm/os_linux.cpp里的 os::PlatformEvent::park方法，代码如下：

  1. void os::PlatformEvent::park() {      
  2.               int v ;
  3.          for (;;) {
  4.         v = _Event ;
  5.          if (Atomic::cmpxchg (v-1, &_Event, v) == v) break ;
  6.          }
  7.          guarantee (v >= 0, "invariant") ;
  8.          if (v == 0) {
  9.          // Do this the hard way by blocking ...
  10.          int status = pthread_mutex_lock(_mutex);
  11.          assert_status(status == 0, status, "mutex_lock");
  12.          guarantee (_nParked == 0, "invariant") ;
  13.          ++ _nParked ;
  14.          while (_Event < 0) {
  15.          status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);
  16.          // for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ...
  17.          // Treat this the same as if the wait was interrupted
  18.          if (status == ETIME) { status = EINTR; }
  19.          assert_status(status == 0 || status == EINTR, status, "cond_wait");
  20.          }
  21.          -- _nParked ;
  23.          // In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(),
  24.          // but then we'd need a MEMBAR after the ST.
  25.          _Event = 0 ;
  26.          status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
  27.          assert_status(status == 0, status, "mutex_unlock");
  28.          }
  29.          guarantee (_Event >= 0, "invariant") ;
  30.          }
  32.      }

pthread_cond_wait是一个多线程的条件变量函数，cond是condition的缩写，字面意思可以理解为线程在等待一个条件发生，这个条件是一个全局变量。这个方法接收两个参数，一个共享变量_cond，一个互斥量_mutex。而unpark方法在linux下是使用pthread_cond_signal实现的。park 在windows下则是使用WaitForSingleObject实现的。

当队列满时，生产者往阻塞队列里插入一个元素，生产者线程会进入WAITING (parking)状态。我们可以使用jstack dump阻塞的生产者线程看到这点：

  1. "main" prio=5 tid=0x00007fc83c000000 nid=0x10164e000 waiting on condition [0x000000010164d000]
  2.    java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
  3.         at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
  4.         - parking to wait for  <0x0000000140559fe8> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject)
  5.         at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186)
  6.         at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2043)
  7.         at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.put(ArrayBlockingQueue.java:324)
  8.         at blockingqueue.ArrayBlockingQueueTest.main(ArrayBlockingQueueTest.java:11)
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