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剖析Java中阻塞队列的实现原理及应用场景

运维开发网 https://www.qedev.com 2020-03-27 10:43 出处:网络 作者: 海子
我们平时使用的一些常见队列都是非阻塞队列,比如PriorityQueue、LinkedList(LinkedList是双向链表,它实现了Dequeue接口)。

我们平时使用的一些常见队列都是非阻塞队列,比如PriorityQueue、LinkedList(LinkedList是双向链表,它实现了Dequeue接口)。

使用非阻塞队列的时候有一个很大问题就是:它不会对当前线程产生阻塞,那么在面对类似消费者-生产者的模型时,就必须额外地实现同步策略以及线程间唤醒策略,这个实现起来就非常麻烦。但是有了阻塞队列就不一样了,它会对当前线程产生阻塞,比如一个线程从一个空的阻塞队列中取元素,此时线程会被阻塞直到阻塞队列中有了元素。当队列中有元素后,被阻塞的线程会自动被唤醒(不需要我们编写代码去唤醒)。这样提供了极大的方便性。

一.几种主要的阻塞队列

  自从Java 1.5之后,在java.util.concurrent包下提供了若干个阻塞队列,主要有以下几个:

  ArrayBlockingQueue:基于数组实现的一个阻塞队列,在创建ArrayBlockingQueue对象时必须制定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性,默认情况下为非公平的,即不保证等待时间最长的队列最优先能够访问队列。

  LinkedBlockingQueue:基于链表实现的一个阻塞队列,在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小,则默认大小为Integer.MAX_VALUE。

  PriorityBlockingQueue:以上2种队列都是先进先出队列,而PriorityBlockingQueue却不是,它会按照元素的优先级对元素进行排序,按照优先级顺序出队,每次出队的元素都是优先级最高的元素。注意,此阻塞队列为无界阻塞队列,即容量没有上限(通过源码就可以知道,它没有容器满的信号标志),前面2种都是有界队列。

  DelayQueue:基于PriorityQueue,一种延时阻塞队列,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也是一个无界队列,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。

二.阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法

1.非阻塞队列中的几个主要方法:

  •   add(E e):将元素e插入到队列末尾,如果插入成功,则返回true;如果插入失败(即队列已满),则会抛出异常;
  •   remove():移除队首元素,若移除成功,则返回true;如果移除失败(队列为空),则会抛出异常;
  •   offer(E e):将元素e插入到队列末尾,如果插入成功,则返回true;如果插入失败(即队列已满),则返回false;
  •   poll():移除并获取队首元素,若成功,则返回队首元素;否则返回null;
  •   peek():获取队首元素,若成功,则返回队首元素;否则返回null

 

  对于非阻塞队列,一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法,不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否,而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意,非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。

2.阻塞队列中的几个主要方法:

  阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法,上面列举的5个方法在阻塞队列中都存在,但是要注意这5个方法在阻塞队列中都进行了同步措施。除此之外,阻塞队列提供了另外4个非常有用的方法:

  1.   put(E e)
  2.   take()
  3.   offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)
  4.   poll(long timeout, TimeUnit unit)

  

  •   put方法用来向队尾存入元素,如果队列满,则等待;
  •   take方法用来从队首取元素,如果队列为空,则等待;
  •   offer方法用来向队尾存入元素,如果队列满,则等待一定的时间,当时间期限达到时,如果还没有插入成功,则返回false;否则返回true;
  •   poll方法用来从队首取元素,如果队列空,则等待一定的时间,当时间期限达到时,如果取到,则返回null;否则返回取得的元素;

三.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:

private final Condition notFull;
private final Condition notEmpty;

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
    //省略其他代码
    notEmpty = lock.newCondition();
    notFull = lock.newCondition();
  }

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

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

private void insert(E x) {
    items[putIndex] = x;
    putIndex = inc(putIndex);
    ++count;
    notEmpty.signal();
  }

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

public final void await() throws InterruptedException {
      if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
      Node node = addConditionWaiter();
      int savedState = fullyRelease(node);
      int interruptMode = 0;
      while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
          break;
      }
      if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
      if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
      if (interruptMode != 0)

reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }

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。

public static void park(Object blocker) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    setBlocker(t, blocker);
    unsafe.park(false, 0L);
    setBlocker(t, null);
  }

unsafe.park是个native方法,代码如下:

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:

void os::PlatformEvent::park() {   
      int v ;
   for (;;) {
 v = _Event ;
   if (Atomic::cmpxchg (v-1, &_Event, v) == v) break ;
   }
   guarantee (v >= 0, "invariant") ;
   if (v == 0) {
   // Do this the hard way by blocking ...
   int status = pthread_mutex_lock(_mutex);
   assert_status(status == 0, status, "mutex_lock");
   guarantee (_nParked == 0, "invariant") ;
   ++ _nParked ;
   while (_Event < 0) {
   status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);
   // for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ...
   // Treat this the same as if the wait was interrupted
   if (status == ETIME) { status = EINTR; }
   assert_status(status == 0 || status == EINTR, status, "cond_wait");
   }
   -- _nParked ;
   
   // In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(),
   // but then we'd need a MEMBAR after the ST.
   _Event = 0 ;
   status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
   assert_status(status == 0, status, "mutex_unlock");
   }
   guarantee (_Event >= 0, "invariant") ;
   }

   }

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:

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

四.示例和使用场景

  下面先使用Object.wait()和Object.notify()、非阻塞队列实现生产者-消费者模式:

public class Test {
  private int queueSize = 10;
  private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
   
  public static void main(String[] args) {
    Test test = new Test();
    Producer producer = test.new Producer();
    Consumer consumer = test.new Consumer();
     
    producer.start();
    consumer.start();
  }
   
  class Consumer extends Thread{
     
    @Override
    public void run() {
      consume();
    }
     
    private void consume() {
      while(true){
        synchronized (queue) {
          while(queue.size() == 0){
            try {
              System.out.println("队列空,等待数据");
              queue.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
              queue.notify();
            }
          }
          queue.poll();     //每次移走队首元素
          queue.notify();
          System.out.println("从队列取走一个元素,队列剩余"+queue.size()+"个元素");
        }
      }
    }
  }
   
  class Producer extends Thread{
     
    @Override
    public void run() {
      produce();
    }
     
    private void produce() {
      while(true){
        synchronized (queue) {
          while(queue.size() == queueSize){
            try {
              System.out.println("队列满,等待有空余空间");
              queue.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
              queue.notify();
            }
          }
          queue.offer(1);    //每次插入一个元素
          queue.notify();
          System.out.println("向队列取中插入一个元素,队列剩余空间:"+(queueSize-queue.size()));
        }
      }
    }
  }
}

   这个是经典的生产者-消费者模式,通过阻塞队列和Object.wait()和Object.notify()实现,wait()和notify()主要用来实现线程间通信。

  具体的线程间通信方式(wait和notify的使用)在后续问章中会讲述到。

  下面是使用阻塞队列实现的生产者-消费者模式:

public class Test {
  private int queueSize = 10;
  private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(queueSize);
   
  public static void main(String[] args) {
    Test test = new Test();
    Producer producer = test.new Producer();
    Consumer consumer = test.new Consumer();
     
    producer.start();
    consumer.start();
  }
   
  class Consumer extends Thread{
     
    @Override
    public void run() {
      consume();
    }
     
    private void consume() {
      while(true){
        try {
          queue.take();
          System.out.println("从队列取走一个元素,队列剩余"+queue.size()+"个元素");
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }
  }
   
  class Producer extends Thread{
     
    @Override
    public void run() {
      produce();
    }
     
    private void produce() {
      while(true){
        try {
          queue.put(1);
          System.out.println("向队列取中插入一个元素,队列剩余空间:"+(queueSize-queue.size()));
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }
  }
}

   有没有发现,使用阻塞队列代码要简单得多,不需要再单独考虑同步和线程间通信的问题。

  在并发编程中,一般推荐使用阻塞队列,这样实现可以尽量地避免程序出现意外的错误。

  阻塞队列使用最经典的场景就是socket客户端数据的读取和解析,读取数据的线程不断将数据放入队列,然后解析线程不断从队列取数据解析。还有其他类似的场景,只要符合生产者-消费者模型的都可以使用阻塞队列。

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