JAVA多线程基础之十一并发队列Queue

xiaoxiao2022-07-02 161

并发队列Queue

在并发队列上JDK提供了两套实现，一个是以ConcurrentLinkedQueue为代表的高性能非阻塞队列，一个是以BlockingQueue接口为代表的阻塞队列，无论哪种都继承自Queue。

下面这张图是 Java 并发类库提供的各种各样的线程安全队列实现，注意，图中并未将非线程安全部分包含进来。

Queue 阻塞队列与非阻塞队列

阻塞队列与普通队列的区别在于，当队列是空的时，从队列中获取元素的操作将会被阻塞，或者当队列是满时，往队列里添加元素的操作会被阻塞。试图从空的阻塞队列中获取元素的线程将会被阻塞，直到其他的线程往空的队列插入新的元素。同样，试图往已满的阻塞队列中添加新元素的线程同样也会被阻塞，直到其他的线程使队列重新变得空闲起来，如从队列中移除一个或者多个元素，或者完全清空队列.（前四个为非阻塞队列，后四个为阻塞队列）

1.ArrayDeque, （数组双端队列） 2.PriorityQueue, （优先级队列） 3.ConcurrentLinkedQueue, （基于链表的并发队列） 4.DelayQueue, （延期阻塞队列）（阻塞队列实现了BlockingQueue接口） 5.ArrayBlockingQueue, （基于数组的并发阻塞队列） 6.LinkedBlockingQueue, （基于链表的FIFO阻塞队列） 7.LinkedBlockingDeque, （基于链表的FIFO双端阻塞队列） 8.PriorityBlockingQueue, （带优先级的无界阻塞队列） 9.SynchronousQueue （并发同步阻塞队列）

ConcurrentLinkedDeque ConcurrentLinkedQueue : 是一个适用于高并发场景下的队列，通过无锁的方式，实现了高并发状态下的高性能，通常ConcurrentLinkedQueue性能好于BlockingQueue.它是一个基于链接节点的无界线程安全队列。该队列的元素遵循先进先出的原则。头是最先加入的，尾是最近加入的，该队列不允许null元素。 ConcurrentLinkedQueue重要方法: add 和offer() 都是加入元素的方法(在ConcurrentLinkedQueue中这俩个方法没有任何区别) poll() 和peek() 都是取头元素节点，区别在于前者会删除元素，后者不会。

import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedDeque; ConcurrentLinkedDeque q = new ConcurrentLinkedDeque(); //添加元素 FIFO q.offer("a"); q.offer("b"); q.offer("c"); q.offer("d"); q.offer("e"); //从头获取元素,删除该元素 System.out.println(q.poll()); //从头获取元素,不刪除该元素 System.out.println(q.peek()); //获取总长度 System.out.println(q.size());

BlockingQueue

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，获取元素的线程会等待队列变为非空。

当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。

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即阻塞队列，从阻塞这个词可以看出，在某些情况下对阻塞队列的访问可能会造成阻塞。被阻塞的情况主要有如下两种：

1. 当队列满了的时候进行入队列操作

2. 当队列空了的时候进行出队列操作

因此，当一个线程试图对一个已经满了的队列进行入队列操作时，它将会被阻塞，除非有另一个线程做了出队列操作；同样，当一个线程试图对一个空队列进行出队列操作时，它将会被阻塞，除非有另一个线程进行了入队列操作。

在Java中，BlockingQueue的接口位于java.util.concurrent 包中(在Java5版本开始提供)，由上面介绍的阻塞队列的特性可知，阻塞队列是线程安全的。

在新增的Concurrent包中，BlockingQueue很好的解决了多线程中，如何高效安全“传输”数据的问题。通过这些高效并且线程安全的队列类，为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利。本文详细介绍了BlockingQueue家庭中的所有成员，包括他们各自的功能以及常见使用场景。

认识BlockingQueue

阻塞队列，顾名思义，首先它是一个队列，而一个队列在数据结构中所起的作用大致如下图所示：

从上图我们可以很清楚看到，通过一个共享的队列，可以使得数据由队列的一端输入，从另外一端输出；

常用的队列主要有以下两种：（当然通过不同的实现方式，还可以延伸出很多不同类型的队列，DelayQueue就是其中的一种）

　　先进先出（FIFO）：先插入的队列的元素也最先出队列，类似于排队的功能。从某种程度上来说这种队列也体现了一种公平性。

　　后进先出（LIFO）：后插入队列的元素最先出队列，这种队列优先处理最近发生的事件。

多线程环境中，通过队列可以很容易实现数据共享，比如经典的“生产者”和“消费者”模型中，通过队列可以很便利地实现两者之间的数据共享。假设我们有若干生产者线程，另外又有若干个消费者线程。如果生产者线程需要把准备好的数据共享给消费者线程，利用队列的方式来传递数据，就可以很方便地解决他们之间的数据共享问题。但如果生产者和消费者在某个时间段内，万一发生数据处理速度不匹配的情况呢？理想情况下，如果生产者产出数据的速度大于消费者消费的速度，并且当生产出来的数据累积到一定程度的时候，那么生产者必须暂停等待一下（阻塞生产者线程），以便等待消费者线程把累积的数据处理完毕，反之亦然。然而，在concurrent包发布以前，在多线程环境下，我们每个程序员都必须去自己控制这些细节，尤其还要兼顾效率和线程安全，而这会给我们的程序带来不小的复杂度。好在此时，强大的concurrent包横空出世了，而他也给我们带来了强大的BlockingQueue。（在多线程领域：所谓阻塞，在某些情况下会挂起线程（即阻塞），一旦条件满足，被挂起的线程又会自动被唤醒）

下面两幅图演示了BlockingQueue的两个常见阻塞场景：

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个有边界的阻塞队列，它的内部实现是一个数组。有边界的意思是它的容量是有限的，我们必须在其初始化的时候指定它的容量大小，容量大小一旦指定就不可改变。

ArrayBlockingQueue是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。下面

是一个初始化和使用ArrayBlockingQueue的例子：

//容量大小一旦指定就不可改变 ArrayBlockingQueue<String> arrays = new ArrayBlockingQueue<String>(3); arrays.add("李四"); boolean b ; try { //队列未满，可以存入 b = arrays.offer("张军", 1, TimeUnit.SECONDS); System.out.println(b); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } arrays.add("张军"); // 添加阻塞队列 try { //队列已满，无法存入 b = arrays.offer("张三", 1, TimeUnit.SECONDS); System.out.println(b); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("ArrayBlockingQueue size : "+arrays.size());

网吧有届队列：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; /** * Created by zhanghaipeng on 2018/11/12. */ public class WangbaArray{ public static ArrayBlockingQueue<WangminArray> queue = new ArrayBlockingQueue(5); private boolean isOpen = true; public void open() { isOpen = true; } public void close() { isOpen = false; } public static void main(String[] args){ System.out.println("网吧开始营业"); WangbaArray wangba = new WangbaArray(); wangba.open(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { while (wangba.isOpen) { WangminArray wangmin ; for (int i = 0; i < 10; i++) { wangmin = new WangminArray("网民" + i, "id" + i,System.currentTimeMillis()); wangba.action(wangmin); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } }).start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { while (wangba.isOpen) { try { Thread.sleep(3000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } wangba.stop(); } } }).start(); } private void action(WangminArray wangmin) { Boolean b = queue.offer(wangmin); System.out.println(wangmin + " 进入网吧" + b); } private void stop() { try { WangminArray wangmin = queue.take(); System.out.println(wangmin + " 离开网吧"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } class WangminArray{ //身份证号 String id; //姓名 String name; public Long getInTime() { return inTime; } public void setInTime(Long inTime) { this.inTime = inTime; } //进入网吧时间 Long inTime; @Override public String toString() { return "WangminArray{" + "id='" + id + '\'' + ", name='" + name + '\'' + ", inTime=" + inTime + '}'; } public WangminArray(String id, String name, Long inTime) { this.id = id; this.name = name; this.inTime = inTime; } public String getId() { return id; } public void setId(String id) { this.id = id; } public String getName() { return name; } public void setName(String name) { this.name = name; } }

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue阻塞队列大小的配置是可选的，如果我们初始化时指定一个大小，它就是有边界的，如果不指定，它就是无边界的。说是无边界，其实是采用了默认大小为Integer.MAX_VALUE的容量。它的内部实现是一个链表。

和ArrayBlockingQueue一样，LinkedBlockingQueue 也是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。下面是一个初始化和使LinkedBlockingQueue的例子：

LinkedBlockingQueue linkedBlockingQueue = new LinkedBlockingQueue(3); linkedBlockingQueue.add("张三"); linkedBlockingQueue.add("李四"); linkedBlockingQueue.add("李四"); System.out.println("linkedBlockingQueue size : "+linkedBlockingQueue.size());

无届队列例子

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue; public class WangbaLinked{ public static LinkedBlockingQueue<WangminLinked> queue = new LinkedBlockingQueue(); private boolean isOpen = true; public void open() { isOpen = true; } public void close() { isOpen = false; } public static void main(String[] args){ System.out.println("网吧开始营业"); WangbaLinked wangba = new WangbaLinked(); wangba.open(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { while (wangba.isOpen) { WangminLinked wangmin ; for (int i = 0; i < 10; i++) { wangmin = new WangminLinked("网民" + i, "id" + i,System.currentTimeMillis()); wangba.action(wangmin); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } }).start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { while (wangba.isOpen) { try { Thread.sleep(3000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } wangba.stop(); } } }).start(); } private void action(WangminLinked wangmin) { Boolean b = queue.offer(wangmin); System.out.println(wangmin + " 进入网吧" + b); } private void stop() { try { WangminLinked wangmin = queue.take(); System.out.println(wangmin + " 离开网吧"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } class WangminLinked{ //身份证号 String id; //姓名 String name; public Long getInTime() { return inTime; } public void setInTime(Long inTime) { this.inTime = inTime; } //进入网吧时间 Long inTime; @Override public String toString() { return "WangminLinked{" + "id='" + id + '\'' + ", name='" + name + '\'' + ", inTime=" + inTime + '}'; } public WangminLinked(String id, String name, Long inTime) { this.id = id; this.name = name; this.inTime = inTime; } public String getId() { return id; } public void setId(String id) { this.id = id; } public String getName() { return name; } public void setName(String name) { this.name = name; } }

使用BlockingQueue模拟生产者与消费者

public class ProducerCunsumerSample { public static void main(String[] args){ LinkedBlockingQueue q = new LinkedBlockingQueue(3); Producer p = new Producer(q); Consumer c = new Consumer(q); p.start(); p.startup(); c.start(); try { Thread.sleep(20*1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } p.shutdown(); } } class Producer extends Thread{ private LinkedBlockingQueue linkedBlockingQueue; private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0); public static volatile boolean flag = false; public Producer(LinkedBlockingQueue linkedBlockingQueue){ this.linkedBlockingQueue = linkedBlockingQueue; } public void startup(){ this.flag = true; } public void shutdown(){ this.flag = false; } @Override public void run() { while (flag) { int number = atomicInteger.incrementAndGet(); try { boolean res = linkedBlockingQueue.offer(number,1, TimeUnit.MILLISECONDS); if (res) { System.out.println("存入 " + number + " " + res); }else { System.out.println("存入 " + number + " " + res); atomicInteger.decrementAndGet(); } Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } class Consumer extends Thread{ LinkedBlockingQueue linkedBlockingQueue; public Consumer(LinkedBlockingQueue linkedBlockingQueue){ this.linkedBlockingQueue = linkedBlockingQueue; } @Override public void run() { while (Producer.flag) { Object number = linkedBlockingQueue.poll(); if (null != number && !"".equals(number)) { System.out.println("取元素 " + number); }else { System.out.println("取元素失败"); } try { sleep(300); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } }

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个没有边界的队列，它的排序规则和 java.util.PriorityQueue一样。需要注意，PriorityBlockingQueue中允许插入null对象。

所有插入PriorityBlockingQueue的对象必须实现 java.lang.Comparable接口，队列优先级的排序规则就是按照我们对这个接口的实现来定义的。

另外，我们可以从PriorityBlockingQueue获得一个迭代器Iterator，但这个迭代器并不保证按照优先级顺序进行迭代。

注：add方法时不排序，take的时候进行比较并取出。

网吧例子：

import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue; /** * Created by zhanghaipeng on 2018/11/12. */ public class WangbaPriority { public static PriorityBlockingQueue<WangminPriority> queue = new PriorityBlockingQueue(5); private boolean isOpen = true; public void open() { isOpen = true; } public void close() { isOpen = false; } private void action(WangminPriority wangmin) { Boolean b = queue.offer(wangmin); System.out.println(wangmin + " 进入网吧" + b); } private void stop() { try { WangminPriority wangmin = queue.take(); System.out.println(wangmin + " 离开网吧"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } public static void main(String[] args){ System.out.println("网吧开始营业"); WangbaPriority wangba = new WangbaPriority(); wangba.open(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { while (wangba.isOpen) { WangminPriority wangmin ; for (int i = 0; i < 10; i++) { wangmin = new WangminPriority((int) System.currentTimeMillis(), "网民" + i,System.currentTimeMillis()); wangba.action(wangmin); try { Thread.sleep(1500); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } }).start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { while (wangba.isOpen) { try { Thread.sleep(1800); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } wangba.stop(); } } }).start(); } } class WangminPriority implements Comparable{ //身份证号 Integer id; //姓名 String name; public Long getInTime() { return inTime; } public void setInTime(Long inTime) { this.inTime = inTime; } //进入网吧时间 Long inTime; @Override public String toString() { return "WangminArray{" + "id='" + id + '\'' + ", name='" + name + '\'' + ", inTime=" + inTime + '}'; } public WangminPriority(Integer id, String name, Long inTime) { this.id = id; this.name = name; this.inTime = inTime; } public Integer getId() { return id; } public void setId(Integer id) { this.id = id; } public String getName() { return name; } public void setName(String name) { this.name = name; } @Override public int compareTo(Object o) { WangminPriority o1 = (WangminPriority)o; return this.getId()-o1.getId()>0 ? 1 : 0 ; } }

SynchronousQueue

SynchronousQueue队列内部仅允许容纳一个元素。当一个线程插入一个元素后会被阻塞，除非这个元素被另一个线程消费。

import java.util.concurrent.SynchronousQueue; /** * Created by zhanghaipeng on 2018/11/12. */ public class WangbaSynchronous { public static SynchronousQueue<WangminSynchronous> queue = new SynchronousQueue(); private boolean isOpen = true; public void open() { isOpen = true; } public void close() { isOpen = false; } private void action(WangminSynchronous wangmin) { Boolean b = queue.offer(wangmin); System.out.println(wangmin + " 进入网吧" + b); } private void stop() { try { WangminSynchronous wangmin = queue.take(); System.out.println(wangmin + " 离开网吧"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } public static void main(String[] args){ System.out.println("网吧开始营业"); WangbaSynchronous wangba = new WangbaSynchronous(); wangba.open(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { while (wangba.isOpen) { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } wangba.stop(); } } }).start(); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { while (wangba.isOpen) { WangminSynchronous wangmin ; for (int i = 0; i < 10; i++) { wangmin = new WangminSynchronous((int) System.currentTimeMillis(), "网民" + i,System.currentTimeMillis()); wangba.action(wangmin); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } }).start(); } } class WangminSynchronous{ //身份证号 Integer id; //姓名 String name; public Long getInTime() { return inTime; } public void setInTime(Long inTime) { this.inTime = inTime; } //进入网吧时间 Long inTime; @Override public String toString() { return "WangminArray{" + "id='" + id + '\'' + ", name='" + name + '\'' + ", inTime=" + inTime + '}'; } public WangminSynchronous(Integer id, String name, Long inTime) { this.id = id; this.name = name; this.inTime = inTime; } public Integer getId() { return id; } public void setId(Integer id) { this.id = id; } public String getName() { return name; } public void setName(String name) { this.name = name; } }

注：

take时才可以add调用add方法不意味着往集合里加元素，

DelayQueue

带有延时时间的队列，其中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能从队列中获取到改元素。DelayQueue中的元素必须实现Delayed接口，DelayQueue是一个没有大小限制的队列，应用场景很多，比如对缓存超时时的数据进行移除、任务超时处理、空闲连接的关闭等等。

模拟网吧：

public class Wangba implements Runnable { private DelayQueue<Wangmin> queue = new DelayQueue<>(); public boolean isOpen; public void open(){ this.isOpen = true; } public void close(){ this.isOpen = false; } @Override public void run() { while (isOpen) { Wangmin wangmin = null; try { wangmin = queue.take(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } stop(wangmin); } } public static void main(String[] args){ System.out.println("网吧开始营业"); Wangba wangba = new Wangba(); Thread t = new Thread(wangba); t.start(); wangba.open(); Wangmin wangmin ; for (int i = 0; i < 10; i++) { wangmin = new Wangmin("网民" + i, "id"+i, 5000 * 1 + System.currentTimeMillis()); wangba.action(wangmin); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } wangba.close(); } public void action(Wangmin wangmin){ queue.add(wangmin); System.out.println(wangmin.toString() + " online"); } public void stop(Wangmin wangmin){ System.out.println(wangmin.toString() + " offline"); } } class Wangmin implements Delayed{ //身份证号 String id; //姓名 String name; //截止时间 private long endTime; //定义时间工具类 private TimeUnit timeUnit = TimeUnit.SECONDS; @Override public String toString() { return "Wangmin{" + "id=" + id + ", name='" + name + '\'' + ", endTime=" + endTime + '}'; } @Override public long getDelay(TimeUnit unit) { long delayTime = endTime - System.currentTimeMillis(); return delayTime; } @Override public int compareTo(Delayed o) { Wangmin w = (Wangmin)o; long t = this.getDelay(this.timeUnit)-w.getDelay(this.timeUnit); return t > 0 ? 1:0; } public Wangmin(String id, String name, long endTime) { this.id = id; this.name = name; this.endTime = endTime; } public String getId() { return id; } public void setId(String id) { this.id = id; } public String getName() { return name; } public void setName(String name) { this.name = name; } public long getEndTime() { return endTime; } public void setEndTime(long endTime) { this.endTime = endTime; } }

DeQueue

Deque(interface)允许在队列的头部活尾部进行出队和入队操作。

LinkedblockingDeque是一个线程安全的双端队列实现，可以说他是最为复杂的一种队列，在内部实现维护了前端和后端节点，但是其没有实现读写分离，因此同一时间只能有一个线程对其进行操作。在高并发中性能要远低于其他Blockingqueue。更要低于jdk早期有一个非线程安全的Deque就是 ArrayDeque了,Concurrentlinkedqueue,java6里添加了LinkedDeque来弥补多线程场景下线程安全的问题。

LinkedBlockingDeque deque = new LinkedBlockingDeque(); deque.addFirst("a"); deque.addLast("b");

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