『併發包入坑指北』之阻塞佇列

crossoverJie發表於2019-04-10

佇列

前言

較長一段時間以來我都發現不少開發者對 jdk 中的 J.U.C（java.util.concurrent）也就是 Java 併發包的使用甚少，更別談對它的理解了；但這卻也是我們進階的必備關卡。

之前或多或少也分享過相關內容，但都不成體系；於是便想整理一套與併發包相關的系列文章。

其中的內容主要包含以下幾個部分：

根據定義自己實現一個併發工具。
JDK 的標準實現。
實踐案例。

基於這三點我相信大家對這部分內容不至於一問三不知。

既然開了一個新坑，就不想做的太差；所以我打算將這個列表下的大部分類都講到。

所以本次重點討論 ArrayBlockingQueue。

自己實現

在自己實現之前先搞清楚阻塞佇列的幾個特點：

基本佇列特性：先進先出。
寫入佇列空間不可用時會阻塞。
獲取佇列資料時當佇列為空時將阻塞。

實現佇列的方式多種，總的來說就是陣列和連結串列；其實我們只需要搞清楚其中一個即可，不同的特性主要表現為陣列和連結串列的區別。

這裡的 ArrayBlockingQueue 看名字很明顯是由陣列實現。

我們先根據它這三個特性嘗試自己實現試試。

初始化佇列

我這裡自定義了一個類：ArrayQueue，它的建構函式如下：

    public ArrayQueue(int size) {
        items = new Object[size];
    }
複製程式碼

很明顯這裡的 items 就是存放資料的陣列；在初始化時需要根據大小建立陣列。

寫入佇列

寫入佇列比較簡單，只需要依次把資料存放到這個陣列中即可，如下圖：

但還是有幾個需要注意的點：

佇列滿的時候，寫入的執行緒需要被阻塞。
寫入過佇列的數量大於佇列大小時需要從第一個下標開始寫。

先看第一個佇列滿的時候，寫入的執行緒需要被阻塞，先來考慮下如何才能使一個執行緒被阻塞，看起來的表象執行緒卡住啥事也做不了。

有幾種方案可以實現這個效果:

Thread.sleep(timeout)執行緒休眠。
object.wait() 讓執行緒進入 waiting 狀態。

當然還有一些 join、LockSupport.part 等不在本次的討論範圍。

阻塞佇列還有一個非常重要的特性是：當佇列空間可用時（取出佇列），寫入執行緒需要被喚醒讓資料可以寫入進去。

所以很明顯Thread.sleep(timeout)不合適，它在到達超時時間之後便會繼續執行；達不到空間可用時才喚醒繼續執行這個特點。

其實這樣的一個特點很容易讓我們想到 Java 的等待通知機制來實現執行緒間通訊；更多執行緒見通訊的方案可以參考這裡：深入理解執行緒通訊

所以我這裡的做法是，一旦佇列滿時就將寫入執行緒呼叫 object.wait() 進入 waiting 狀態，直到空間可用時再進行喚醒。

    /**
     * 佇列滿時的阻塞鎖
     */
    private Object full = new Object();

    /**
     * 佇列空時的阻塞鎖
     */
    private Object empty = new Object();
複製程式碼

所以這裡宣告瞭兩個物件用於佇列滿、空情況下的互相通知作用。

在寫入資料成功後需要使用 empty.notify()，這樣的目的是當獲取佇列為空時，一旦寫入資料成功就可以把消費佇列的執行緒喚醒。

這裡的 wait 和 notify 操作都需要對各自的物件使用 synchronized 方法塊，這是因為 wait 和 notify 都需要獲取到各自的鎖。

消費佇列

上文也提到了：當佇列為空時，獲取佇列的執行緒需要被阻塞，直到佇列中有資料時才被喚醒。

程式碼和寫入的非常類似，也很好理解；只是這裡的等待、喚醒恰好是相反的，通過下面這張圖可以很好理解：

總的來說就是：

寫入佇列滿時會阻塞直到獲取執行緒消費了佇列資料後喚醒寫入執行緒。
消費佇列空時會阻塞直到寫入執行緒寫入了佇列資料後喚醒消費執行緒。

測試

先來一個基本的測試：單執行緒的寫入和消費。

3
123
1234
12345
複製程式碼

通過結果來看沒什麼問題。

當寫入的資料超過佇列的大小時，就只能消費之後才能接著寫入。

2019-04-09 16:24:41.040 [Thread-0] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - [Thread-0]123
2019-04-09 16:24:41.040 [main] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - size=3
2019-04-09 16:24:41.047 [main] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - 1234
2019-04-09 16:24:41.048 [main] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - 12345
2019-04-09 16:24:41.048 [main] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - 123456
複製程式碼

從執行結果也能看出只有當消費資料後才能接著往佇列裡寫入資料。