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不允许还有Java程序员不了解BlockingQueue阻塞队列的实现原理原创

1月前
204055

我们平时开发中好像很少使用到BlockingQueue(阻塞队列),比如我们想要存储一组数据的时候会使用ArrayList,想要存储键值对数据会使用HashMap,在什么场景下需要用到BlockingQueue呢?

1. BlockingQueue的应用场景

当我们处理完一批数据之后,需要把这批数据发给下游方法接着处理,但是下游方法的处理速率不受控制,可能时快时慢。如果下游方法的处理速率较慢,会拖慢当前方法的处理速率,这时候该怎么办呢?

你可能想到使用线程池,是个办法,不过需要创建很多线程,还要考虑下游方法支不支持并发,如果是CPU密集任务,可能多线程比单线程处理速度更慢,因为需要频繁上下文切换。

这时候就可以考虑使用BlockingQueue,BlockingQueue最典型的应用场景就是上面这种生产者-消费者模型。生产者往队列中放数据,消费者从队列中取数据,中间使用BlockingQueue做缓冲队列,也就解决了生产者和消费者速率不同步的问题。

image1.png

你可能联想到了消息队列(MessageQueue),消息队列相当于分布式阻塞队列,而BlockingQueue相当于本地阻塞队列,只作用于本机器。对应的是分布式缓存(比如:Redis、Memcache)和本地缓存(比如:Guava、Caffeine)。

另外很多框架中都有BlockingQueue的影子,比如线程池中就用到BlockingQueue做任务的缓冲。消息队列中发消息、拉取消息的方法也都借鉴了BlockingQueue,使用起来很相似。

今天就一块深入剖析一下Queue的底层源码。

2. BlockingQueue的用法

BlockingQueue的用法非常简单,就是放数据和取数据。


/**
 * @apiNote BlockingQueue示例
 * @author 一灯架构
 */
public class Demo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 1. 创建队列,设置容量是10
        BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);
        // 2. 往队列中放数据
        queue.put(1);
        // 3. 从队列中取数据
        Integer result = queue.take();
    }
}

为了满足不同的使用场景,BlockingQueue设计了很多的放数据和取数据的方法。

操作 抛出异常 返回特定值 阻塞 阻塞一段时间
放数据 add offer put offer(e, time, unit)
取数据 remove poll take poll(time, unit)
取数据(不删除) element() peek() 不支持 不支持

这几组方法的不同之处就是:

  • 当队列满了,再往队列中放数据,add方法抛异常,offer方法返回false,put方法会一直阻塞(直到有其他线程从队列中取走数据),offer方法阻塞指定时间然后返回false。
  • 当队列是空,再从队列中取数据,remove方法抛异常,poll方法返回null,take方法会一直阻塞(直到有其他线程往队列中放数据),poll方法阻塞指定时间然后返回null。
  • 当队列是空,再去队列中查看数据(并不删除数据),element方法抛异常,peek方法返回null。

工作中使用最多的就是offer、poll阻塞指定时间的方法。

3. BlockingQueue实现类

BlockingQueue常见的有下面5个实现类,主要是应用场景不同。

  • ArrayBlockingQueue

基于数组实现的阻塞队列,创建队列时需指定容量大小,是有界队列。

  • LinkedBlockingQueue

基于链表实现的阻塞队列,默认是无界队列,创建可以指定容量大小

  • SynchronousQueue

一种没有缓冲的阻塞队列,生产出的数据需要立刻被消费

  • PriorityBlockingQueue

实现了优先级的阻塞队列,基于数据显示,是无界队列

  • DelayQueue

实现了延迟功能的阻塞队列,基于PriorityQueue实现的,是无界队列

4. BlockingQueue源码解析

BlockingQueue的5种子类实现方式大同小异,这次就以最常用的ArrayBlockingQueue做源码解析。

4.1 ArrayBlockingQueue类属性

先看一下ArrayBlockingQueue类里面有哪些属性:

// 用来存放数据的数组
final Object[] items;

// 下次取数据的数组下标位置
int takeIndex;

// 下次放数据的数组下标位置
int putIndex;

// 当前已有元素的个数
int count;

// 独占锁,用来保证存取数据安全
final ReentrantLock lock;

// 取数据的条件
private final Condition notEmpty;

// 放数据的条件
private final Condition notFull;

ArrayBlockingQueue中4组存取数据的方法实现也是大同小异,本次以put和take方法进行解析。

4.2 put方法源码解析

image2.png

无论是放数据还是取数据都是从队头开始,逐渐往队尾移动。

// 放数据,如果队列已满,就一直阻塞,直到有其他线程从队列中取走数据
public void put(E e) throws InterruptedException {
    // 校验元素不能为空
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
  	// 加锁,加可中断的锁
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果队列已满,就一直阻塞,直到被唤醒
        while (count == items.length)
            notFull.await();
      	// 如果队列未满,就往队列添加元素
        enqueue(e);
    } finally {
      	// 结束后,别忘了释放锁
        lock.unlock();
    }
}
// 实际往队列添加数据的方法
private void enqueue(E x) {
    // 获取数组
    final Object[] items = this.items;
    // putIndex 表示本次插入的位置
    items[putIndex] = x;
    // ++putIndex 计算下次插入的位置
    // 如果本次插入的位置,正好是队尾,下次插入就从 0 开始
    if (++putIndex == items.length)
        putIndex = 0;
  	// 元素数量加一
    count++;
    // 唤醒因为队列空等待的线程
    notEmpty.signal();
}

源码中有个有意思的设计,添加元素的时候如果已经到了队尾,下次就从队头开始添加,相当于做成了一个循环队列。

像下面这样:

image3.png

4.3 take方法源码

// 取数据,如果队列为空,就一直阻塞,直到有其他线程往队列中放数据
public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
  	// 加锁,加可中断的锁
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果队列为空,就一直阻塞,直到被唤醒
        while (count == 0)
            notEmpty.await();
        // 如果队列不为空,就从队列取数据
        return dequeue();
    } finally {
      	// 结束后,别忘了释放锁
        lock.unlock();
    }
}
// 实际从队列取数据的方法
private E dequeue() {
  	// 获取数组
    final Object[] items = this.items;
    // takeIndex 表示本次取数据的位置,是上一次取数据时计算好的
    E x = (E) items[takeIndex];
    // 取完之后,就把队列该位置的元素删除
    items[takeIndex] = null;
    // ++takeIndex 计算下次取数据的位置
    // 如果本次取数据的位置,正好是队尾,下次就从 0 开始取数据
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0;
    // 元素数量减一
    count--;
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    // 唤醒被队列满所阻塞的线程
    notFull.signal();
    return x;
}

4.4 总结

  • ArrayBlockingQueue基于数组实现的阻塞队列,创建队列时需指定容量大小,是有界队列。
  • ArrayBlockingQueue底层采用循环队列的形式,保证数组位置可以重复使用。
  • ArrayBlockingQueue存取都采用ReentrantLock加锁,保证线程安全,在多线程环境下也可以放心使用。
  • 使用ArrayBlockingQueue的时候,预估好队列长度,保证生产者和消费者速率相匹配。

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