一、队列
队列是一种特殊的线性表,特殊之处在于它只允许在表的前端 (front) 进行删除操作,而在表的后端 (rear) 进行插入操作。和栈一样,队列是一种操作受限制的线性表,进行插入操作的端称为队尾,,进行删除操作的端称为对头.
在队列中插入一个队列元素称为入队, 从队列中删除一个队列元素称为出队。 因为队列只允许在一端插入,在另一端删除,所以只有最早进入队列的元素才能最先从队列中删除,故队列又称为先进先出 (FIFO - first in first out) 线性表
二、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,获取元素的线程阻塞等待队列变为非空
当队列满时,存储元素的线程阻塞等待队列可用
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
BlockingQueue接口继承关系图
BlockingQueue接口实现类
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class BlockQueueTest {
public static void main(String[] args) {
BlockingQueue blockingQueue = new SynchronousQueue();
new Thread(()->{
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " put 1");
blockingQueue.put("1");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " put 2");
blockingQueue.put("2");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " put 3");
blockingQueue.put("3");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"T1").start();
new Thread(()->{
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" take " + blockingQueue.take());
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" take " + blockingQueue.take());
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" take " + blockingQueue.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"T2").start();
}
}
输出
T1 put 1
T2 take 1
T1 put 2
T2 take 2
T1 put 3
T2 take 3
(一)阻塞队列BlockingQueue 四种处理方式
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, long, TimeUnit) |
移除方法 | remove() | poll() | take() | poll(long, TimeUnit) |
检查方法 | element() | peek() | 不可用 | 不可用 |
真正体现了阻塞的两个方法就是 put(E) / take()
- 抛出异常
当队列满的时候, 如果再向队列中插入元素, 会抛出默认的 **IllegalStateException
**异常.
当队列为空时候, 如果再从队列中获取元素, 会抛出 **NoSuchElementException
**异常 - 返回特殊值
每次对队列执行插入操作, 会返回元素是否插入成功, 成功则返回true
.
如果是获取操作, 则是从队列中获取一个元素, 没有这个元素的话, 返回值为null
. - 一直阻塞
当队列满的时候, 如果生产者线程继续向队列中put
元素, 队列将会一直阻塞生产者线程, 直到队列可用或者响应中断退出.
当队列为null
的时候, 如果消费者线程从队列中take
元素, 队列会阻塞住消费者线程, 直到队列不为null
. - 超时退出
当阻塞队列满时, 如果生产者线程继续向队列中插入元素, 队列会阻塞生产者线程一段时间, 如果超过了这个指定的时间, 生产者线程就会退出
1、抛出异常
当队列满的时候, 如果再向队列中插入元素, 会抛出默认的 **IllegalStateException
**异常.
当队列为空时候, 如果再从队列中获取元素, 会抛出 **NoSuchElementException
**异常
/**
* 1、抛出异常
* 当队列满的时候, 如果再向队列中插入元素, 会抛出默认的 IllegalStateException 异常.
* 当队列为空时候, 如果再从队列中获取元素, 会抛出 NoSuchElementException 异常
*/
public static void throwException(){
BlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue(3);
System.out.println(blockingQueue.add("a"));
System.out.println(blockingQueue.add("b"));
System.out.println(blockingQueue.add("c"));
// java.lang.IllegalStateException: Queue full
//System.out.println(blockingQueue.add("d"));
// 获取队列首元素
System.out.println(blockingQueue.element());
System.out.println(blockingQueue.remove());
System.out.println(blockingQueue.remove());
System.out.println(blockingQueue.remove());
// java.util.NoSuchElementException
//System.out.println(blockingQueue.remove());
}
true
true
true
a
a
b
c
add()方法
public abstract class AbstractQueue<E>
extends AbstractCollection<E>
implements Queue<E> {
public boolean add(E e) {
if (offer(e))
return true;
else
throw new IllegalStateException("Queue full");
}
}
remove()方法
public E remove() {
E x = poll();
if (x != null)
return x;
else
throw new NoSuchElementException();
}
2、返回特殊值
每次对队列执行插入操作, 会返回元素是否插入成功, 成功则返回 true
.
如果是获取操作, 则是从队列中获取一个元素, 没有这个元素的话, 返回值为 null
/**
* 2、返回特殊值
* 每次对队列执行插入操作, 会返回元素是否插入成功, 成功则返回 true.
* 如果是获取操作, 则是从队列中获取一个元素, 没有这个元素的话, 返回值为 null
*/
public static void returnSpecial(){
BlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue(3);
System.out.println(blockingQueue.offer("a"));
System.out.println(blockingQueue.offer("b"));
System.out.println(blockingQueue.offer("c"));
// 队列满了,返回false;不抛出异常
System.out.println(blockingQueue.offer("d"));
// 获取队列首元素
System.out.println(blockingQueue.peek());
System.out.println(blockingQueue.poll());
System.out.println(blockingQueue.poll());
System.out.println(blockingQueue.poll());
// 队列为空,返回null;不抛出异常
System.out.println(blockingQueue.poll());
}
抛出异常 与 返回特殊值 方法的实现是一样的,只不过对失败的操作的处理不一样
通过AbstractQueue 的源码可以发现,add(e),remove(),element() 都是分别基于 offer(),poll(),peek() 实现的
public boolean add(E arg0) {
if (this.offer(arg0)) {
return true;
} else {
throw new IllegalStateException("Queue full");
}
}
public E remove() {
Object arg0 = this.poll();
if (arg0 != null) {
return arg0;
} else {
throw new NoSuchElementException();
}
}
public E element() {
Object arg0 = this.peek();
if (arg0 != null) {
return arg0;
} else {
throw new NoSuchElementException();
}
}
public boolean offer(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
q.offer(e);
// 如果原来队列为空,重置leader线程,通知available条件
if (q.peek() == e) {
leader = null;
available.signal();
}
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
//因为DelayQueue不限制长度,因此添加元素的时候不会因为队列已满产生阻塞,因此带有超时的offer方法的超时设置是不起作用的
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) {
// 和不带timeout的offer方法一样
return offer(e);
}
public E poll() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
E first = q.peek();
if (first == null || first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) > 0)
return null;
else
return q.poll();
} finally {
lock.unlock();
}
}
3、一直阻塞
当队列满的时候, 如果生产者线程继续向队列中 put
元素, 队列将会一直阻塞生产者线程, 直到队列可用或者响应中断退出
当队列为 null
的时候, 如果消费者线程从队列中 take
元素, 队列会阻塞住消费者线程, 直到队列不为 null
/**
* 3、一直阻塞
* 当队列满的时候, 如果生产者线程继续向队列中 put 元素, 队列将会一直阻塞生产者线程, 直到队列可用或者响应中断退出.
* 当队列为 null 的时候, 如果消费者线程从队列中 take 元素, 队列会阻塞住消费者线程, 直到队列不为 null
*/
public static void alwaysBlock() throws InterruptedException {
BlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue(3);
blockingQueue.put("a");
blockingQueue.put("b");
blockingQueue.put("c");
// 程序一直等待
blockingQueue.put("d");
System.out.println(blockingQueue.take());
System.out.println(blockingQueue.take());
System.out.println(blockingQueue.take());
// 程序一直等待
System.out.println(blockingQueue.take());
}
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
enqueue(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
4、超时退出
当阻塞队列满时, 如果生产者线程继续向队列中插入元素, 队列会阻塞生产者线程一段时间, 如果超过了这个指定的时间, 生产者线程就会退出
/**
* 4、超时退出
* 当阻塞队列满时, 如果生产者线程继续向队列中插入元素, 队列会阻塞生产者线程一段时间
* 如果超过了这个指定的时间, 生产者线程就会退出
*/
public static void overTimeQuit() throws InterruptedException {
BlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue(3);
blockingQueue.offer("a");
blockingQueue.offer("b");
blockingQueue.offer("c");
// 队列满了,超时2S退出
blockingQueue.offer("d", 2,TimeUnit.SECONDS);
System.out.println(blockingQueue.poll());
System.out.println(blockingQueue.poll());
System.out.println(blockingQueue.poll());
// 队列为空,超时2S退出
System.out.println(blockingQueue.poll(2,TimeUnit.SECONDS));
}
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length) {
if (nanos <= 0)
return false;
nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
}
enqueue(e);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0) {
if (nanos <= 0)
return null;
nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
}
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
(二)BlockingQueue核心方法
public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {
//将给定元素设置到队列中,如果设置成功返回true, 否则抛出异常。如果是往限定了长度的队列中设置值,推荐使用offer()方法。
boolean add(E e);
//将给定的元素设置到队列中,如果设置成功返回true, 否则返回false. e的值不能为空,否则抛出空指针异常。
boolean offer(E e);
//将元素设置到队列中,如果队列中没有多余的空间,该方法会一直阻塞,直到队列中有多余的空间。
void put(E e) throws InterruptedException;
//将给定元素在给定的时间内设置到队列中,如果设置成功返回true, 否则返回false.
boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException;
//从队列中获取值,如果队列中没有值,线程会一直阻塞,直到队列中有值,并且该方法取得了该值。
E take() throws InterruptedException;
//在给定的时间里,从队列中获取值,如果没有取到会抛出异常。
E poll(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException;
//获取队列中剩余的空间。
int remainingCapacity();
//从队列中移除指定的值。
boolean remove(Object o);
//判断队列中是否拥有该值。
public boolean contains(Object o);
//将队列中值,全部移除,并发设置到给定的集合中。
int drainTo(Collection<? super E> c);
//指定最多数量限制将队列中值,全部移除,并发设置到给定的集合中。
int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements);
}
(三)Java中七大阻塞队列
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
1、ArrayBlockingQueue
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:
ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);
而对于其访问的公平性,是通过ReentrantLock锁来实现的。
2、linkedBlockingQueue
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。
3、PriorityBlockingQueue
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。
4、DelayQueue
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。
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:
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然后使用getDelay可以查询当前元素还需要延时多久,代码如下:
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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。
最后我们可以使用time的来指定其在队列中的顺序,例如:让延时时间最长的放在队列的末尾。
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如何实现延时阻塞队列
延时阻塞队列的实现很简单,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。
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5、SynchronousQueue
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。
它支持公平访问队列。默认情况下依然是非公平性的策略机制
6、linkedTransferQueue
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。
tryTransfer方法
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。
7、linkedBlockingDeque
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时可以初始化队列的容量,用来防止其再扩容时过渡膨胀。另外双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中