JUC(5) 阻塞队列

2023-12-29 14:34:24 # Language # Java

1. 阻塞队列

阻塞队列是共享队列（多线程操作），一端输入，一端输出，不能无限放队列，满了之后就会进入阻塞，取出也同理

当队列是空的，从队列中获取元素的操作将会被阻塞
当队列是满的，从队列中添加元素的操作将会被阻塞
试图从空的队列中获取元素的线程将会被阻塞，直到其他线程往空的队列插入新的元素
试图向已满的队列中添加新元素的线程将会被阻塞，直到其他线程从队列中移除一个或多个元素或者完全清空，使队列变得空闲起来并后续新增

1.1 架构

BlockingQueue 是一个接口

父接口有：Collection，Iterable，Queue
子接口有：BlockingDeque，TransferQueue
实现类有：ArrayBlockingQueue，DelayQueue，LinkedBlockingDeque，LinkedBlockingQueue，LinkedTransferQueue，PriorityBlockingQueue，SynchronousQueue

1.2 分类

ArrayBlockingQueue (常用)

基于数组的阻塞队列实现, 除了一个定长数组外，ArrayBlockingQueue 内部还保存着两个整形变量，分别标识着队列的头部和尾部在数组中的位置。
ArrayBlockingQueue 在生产者放入数据和消费者获取数据，共用同一个锁对象，两者无法真正并行运行
由数组结构组成的有界阻塞队列

LinkedBlockingQueue (常用)

基于链表的阻塞队列，同 ArrayListBlockingQueue 类似，其内部也维持着一个数据缓冲队列（该队列由一个链表构成）
对于生产者端和消费者端分别采用了独立的锁来控制数据同步
由链表结构组成的有界(大小默认值为Integer.MAX_VALUE)阻塞队列

DelayQueue

DelayQueue 中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素
DelayQueue 是一个没有大小限制的队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻塞。
使用优先级队列实现的延迟无界阻塞队列

PriorityBlockingQueue

基于优先级的阻塞队列（优先级的判断通过构造函数传入的 Comparator 对象来决定）
不会阻塞数据生产者，只会在没有可消费的数据时，阻塞数据的消费者
注意：生产者生产数据的速度绝对不能快于消费者消费数据的速度，否则时间一长，会最终耗尽所有的可用堆内存空间
内部控制线程同步的锁采用的是公平锁
支持优先级排序的无界阻塞队列

SynchronousQueue

一种无缓冲的等待队列
相对于有缓冲的 BlockingQueue 来说，少了一个中间经销商的环节（缓冲区）
不存储元素的阻塞队列，也即单个元素的队列
声明一个 SynchronousQueue 有两种不同的方式
- 公平模式：SynchronousQueue 会采用公平锁，并配合一个 FIFO 队列来阻塞多余的生产者和消费者，从而体系整体的公平策略
- 非公平模式(默认)：SynchronousQueue 采用非公平锁，同时配合一个 LIFO 队列来管理多余的生产者和消费者
  - 如果生产者和消费者的处理速度有差距，很容易出现饥渴的情况，即可能有某些生产者或者是消费者的数据永远都得不到处理

LinkedTransferQueue

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
采用一种预占模式。意思就是消费者线程取元素时，如果队列不为空，则直接取走数据，若队列为空，那就生成一个节点（节点元素为 null）入队，然后消费者线程被等待在这个节点上，后面生产者线程入队时发现有一个元素为 null 的节点，生产者线程就不入队了，直接就将元素填充到该节点，并唤醒该节点等待的线程，被唤醒的消费者线程取走元素，从调用的方法返回。

LinkedBlockingDeque

由链表结构组成的双向阻塞队列
插入元素时: 如果当前队列已满将会进入阻塞状态，一直等到队列有空的位置时再将该元素插入，该操作可以通过设置超时参数，超时后返回 false 表示操作失败，也可以不设置超时参数一直阻塞，中断后抛出 InterruptedException 异常
读取元素时: 如果当前队列为空会阻塞住直到队列不为空然后返回元素，同样可以通过设置超时参数

2. 核心方法

方法类型	抛出异常	特殊值	阻塞	超时
插入	add(e)	offer()	put(e)	offer(e,time,unit)
移除	remove()	poll()	take()	poll(time,unit)
检查	element()	peek()	-	-

第一种方式：抛出异常

public class BlockingQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建阻塞队列
        BlockingQueue<Object> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
        // 当队列中加元素
        System.out.println(blockingQueue.add("a"));
        System.out.println(blockingQueue.add("b"));
        System.out.println(blockingQueue.add("c"));
        // 检查
        System.out.println(blockingQueue.element());
        /** 此时输出的结果为
         * true
         * true
         * true
         * a
         * */
        System.out.println(blockingQueue.add("d"));
        // 此时再添加元素，会抛出异常:IllegalStateException: Queue full
        // 取出元素
        System.out.println(blockingQueue.remove());
        // 检查
        System.out.println(blockingQueue.element());
        /** 此时输出的结果为
         * true
         * true
         * true
         * a
         * a (取出数据)
         * b (队首数据)
         * */
    }
}

第二种方式：布尔值

System.out.println(blockingQueue.offer("a"));
// 检查元素
System.out.println(blockingQueue.peek());
// 取出元素,先进先出
System.out.println(blockingQueue.poll());

第三种方式：阻塞

System.out.println(blockingQueue.put("a"));
// 检查元素
System.out.println(blockingQueue.element());
// 取出元素,先进先出
System.out.println(blockingQueue.take());

该方法加入元素或者取出元素，如果满了或者空了，还进行下一步加入或者取出操作，会出现阻塞的状态

第四种方式：超时

1	`System.out.println(blockingQueue.offer("w", 3L, TimeUnit.SECONDS));`

该方法满了或者空了在进行会有阻塞，但可以加入参数，超时退出，返回false

2023-12-29 14:34:24 # Language # Java