什么是BlockingQueue？-菜鸟笔记

最近在研究一些并发方面的技术其中研究到阻塞队列（BlockingQueue）的时候做了写笔记文档大家可以一起探讨一下：

BlockingQueue，是 java.util.concurrent 包提供的用于解决并发生产者 - 消费者问题的最有用的类。

它的特性是在任意时刻只有一个线程可以进行take或者put操作，并且BlockingQueue提供了超时return null的机制，在许多生产场景里都可以看到这个工具的身影。

一、队列类型

1.无限队列（unbounded queue ） - 几乎可以无限增长

2.有限队列（ bounded queue ） - 定义了最大容量

二、队列数据结构

队列实质就是一种存储数据的结构

通常用链表或者数组实现
一般而言队列具备FIFO先进先出的特性，当然也有双端队列（Deque）优先级队列
主要操作：入队（EnQueue）与出队（Dequeue）

三、常见的4中阻塞队列

ArrayBlockingQueue 由数组支持的有界队列
LinkedBlockingQueue 由链接节点支持的可选有界队列
PriorityBlockingQueue 由优先级堆支持的无界优先级队列
DelayQueue 由优先级堆支持的、基于时间的调度队列

1.ArrayBlockingQueue

队列基于数组实现,容量大小在创建ArrayBlockingQueue对象时已定义好数据结构如下图：

①队列创建：

 BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>();

②应用场景：

在线程池中有比较多的应用，生产者消费者场景

③工作原理：

基于ReentrantLock保证线程安全，根据Condition实现队列满时的阻塞

2.LinkedBlockingQueue

是一个基于链表的无界队列(理论上有界)

  BlockingQueue<String> blockingQueue = new LinkedBlockingQueue<>();

上面这段代码中，blockingQueue 的容量将设置为 Integer.MAX_VALUE 。

向无限队列添加元素的所有操作都将永远不会阻塞，[注意这里不是说不会加锁保证线程安全]，因此它可以增长到非常大的容量。

使用无限 BlockingQueue 设计生产者 - 消费者模型时最重要的是 消费者应该能够像生产者向队列添加消息一样快地消费消息。

否则，内存可能会填满，然后就会得到一个 OutOfMemory 异常。

3.DelayQueue

由优先级堆支持的、基于时间的调度队列，内部基于无界队列PriorityQueue实现，而无界队列基于数组的扩容实现。

①队列创建：

 BlockingQueue<String> blockingQueue = new DelayQueue();

②要求：

入队的对象必须要实现Delayed接口,而Delayed集成自Comparable接口

③应用场景：

电影票

④工作原理：

队列内部会根据时间优先级进行排序。延迟类线程池周期执行。

4.BlockingQueue API

BlockingQueue 接口的所有方法可以分为两大类：负责向队列添加元素的方法和检索这些元素的方法。在队列满/空的情况下，来自这两个组的每个方法的行为都不同。

①添加元素

方法	说明
add()	如果插入成功则返回 true，否则抛出 IllegalStateException 异常
put()	将指定的元素插入队列，如果队列满了，那么会阻塞直到有空间插入
offer()	如果插入成功则返回 true，否则返回 false
offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)	尝试将元素插入队列，如果队列已满，那么会阻塞直到有空间插入

②检索元素

方法	说明
take()	获取队列的头部元素并将其删除，如果队列为空，则阻塞并等待元素变为可用
poll(long timeout, TimeUnit unit)	检索并删除队列的头部，如有必要，等待指定的等待时间以使元素可用，如果超时，则返回 null

在构建生产者 - 消费者程序时，这些方法是 BlockingQueue 接口中最重要的构建块。

四、多线程生产者-消费者示例

接下来我们创建一个由两部分组成的程序 - 生产者 ( Producer ) 和消费者 ( Consumer ) 。

生产者将生成一个 0 到 100 的随机数(十全大补丸的编号)，并将该数字放在 BlockingQueue 中。

我们将创建 16 个线程（潘金莲）用于生成随机数并使用 put() 方法阻塞，直到队列中有可用空间。

需要记住的重要一点是，我们需要阻止我们的消费者线程无限期地等待元素出现在队列中。

从生产者(潘金莲)向消费者(武大郎)发出信号的好方法是，不需要处理消息，而是发送称为毒（ poison ）丸（ pill ）的特殊消息。

我们需要发送尽可能多的毒（ poison ）丸（ pill ），因为我们有消费者(武大郎)。

然后当消费者从队列中获取特殊的毒（ poison ）丸（ pill ）消息时，它将优雅地完成执行。

以下生产者的代码：


@Slf4j
public class NumbersProducer implements Runnable {
private final int poisonPill;
private final int poisonPillPerProducer;
private BlockingQueue<Integer> numbersQueue;
public NumbersProducer(BlockingQueue<Integer> numbersQueue,
int poisonPill,
int poisonPillPerProducer) {
this.numbersQueue = numbersQueue;
this.poisonPill = poisonPill;
this.poisonPillPerProducer = poisonPillPerProducer;
  }
@Override
  public void run() {
try {
      generateNumbers ();
    } catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread ().interrupt ();
    }
  }
private void generateNumbers() throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
numbersQueue.put (ThreadLocalRandom.current ().nextInt (100));
      log.info ("潘金莲-{}号,给武大郎的泡药！", Thread.currentThread ().getId ());
    }
for (int j = 0; j < poisonPillPerProducer; j++) {
numbersQueue.put (poisonPill);
      log.info ("潘金莲-{}号,往武大郎的药里放入第{}颗毒丸！", Thread.currentThread ().getId (), j + 1);
    }
  }
}

我们的生成器构造函数将 BlockingQueue 作为参数，用于协调生产者和使用者之间的处理。

我们看到方法 generateNumbers() 将 100 个元素（生产100副药给武大郎吃）放入队列中。

它还需要有毒（ poison ）丸（ pill ）（潘金莲给武大郎下毒）消息，以便知道在执行完成时放入队列的消息类型。

该消息需要将 poisonPillPerProducer 次放入队列中。

每个消费者将使用 take() 方法从 BlockingQueue 获取一个元素，因此它将阻塞，直到队列中有一个元素。

从队列中取出一个 Integer 后，它会检查该消息是否是毒（ poison ）丸（ pill ）（武大郎看潘金莲有没有下毒），如果是，则完成一个线程的执行。

否则，它将在标准输出上打印出结果以及当前线程的名称。

@Slf4j
public class NumbersConsumer implements Runnable {
private final int poisonPill;
private BlockingQueue<Integer> queue;
public NumbersConsumer(BlockingQueue<Integer> queue, int poisonPill) {
this.queue = queue;
this.poisonPill = poisonPill;
  }
@Override
  public void run() {
try {
while (true) {
Integer number = queue.take ();
if (number.equals (poisonPill)) {
return;
        }
        log.info ("武大郎-{}号,喝药-编号:{}", Thread.currentThread ().getId (), number);
      }
    } catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread ().interrupt ();
    }
  }
}

需要注意的重要事项是队列的使用。

与生成器构造函数中的相同，队列作为参数传递。

我们可以这样做，是因为 BlockingQueue 可以在线程之间共享而无需任何显式同步。

既然我们有生产者和消费者，我们就可以开始我们的计划。我们需要定义队列的容量，并将其设置为 10个元素。

我们创建4 个生产者线程，并且创建等于可用处理器数量的消费者线程：


public class Main {
public static void main(String[] args) {
int BOUND = 10;
int N_PRODUCERS = 16;
int N_CONSUMERS = Runtime.getRuntime ().availableProcessors ();
int poisonPill = Integer.MAX_VALUE;
int poisonPillPerProducer = N_CONSUMERS / N_PRODUCERS;
int mod = N_CONSUMERS % N_PRODUCERS;
    BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<> (BOUND);
//潘金莲给武大郎熬药
    for (int i = 1; i < N_PRODUCERS; i++) {
new Thread (new NumbersProducer (queue, poisonPill, poisonPillPerProducer)).start ();
    }
//武大郎开始喝药
    for (int j = 0; j < N_CONSUMERS; j++) {
new Thread (new NumbersConsumer (queue, poisonPill)).start ();
    }
//潘金莲开始投毒，武大郎喝完毒药GG
    new Thread (new NumbersProducer (queue, poisonPill, poisonPillPerProducer + mod)).start ();
  }
}

BlockingQueue 是使用具有容量的构造创建的。我们正在创造 4 个生产者和 N 个消费者（武大郎）。

我们将我们的毒（ poison ）丸（ pill ）消息指定为 Integer.MAX_VALUE，因为我们的生产者在正常工作条件下永远不会发送这样的值。

这里要注意的最重要的事情是 BlockingQueue 用于协调它们之间的工作。

什么是BlockingQueue？