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【死磕Java并发】—–J.U.C之阻塞队列:BlockingQueue总结

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经过前面六篇博客的阐述,我想各位应该对阻塞队列BlockingQueue有了较为深入的理解,下面来一个总结,先看整个类图:

BlockingQueue类图

BlockingQueue

BlockingQueue接口实现Queue接口,它支持两个附加操作:获取元素时等待队列变为非空,以及存储元素时等待空间变得可用。相对于同一操作他提供了四种机制:抛出异常、返回特殊值、阻塞等待、超时:

BlockingQueue操作

BlockingQueue常用于生产者和消费者场景。

JDK 8 中提供了七个阻塞队列可供使用(上图的DelayedWorkQueue是ScheduledThreadPoolExecutor的内部类):

  • 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无界阻塞队列。
  • 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。

ArrayBlockingQueue

基于数组的阻塞队列,ArrayBlockingQueue内部维护这一个定长数组,阻塞队列的大小在初始化时就已经确定了,其后无法更改。

采用可重入锁ReentrantLock来保证线程安全性,但是生产者和消费者是共用同一个锁对象,这样势必会导致降低一定的吞吐量。当然ArrayBlockingQueue完全可以采用分离锁来实现生产者和消费者的并行操作,但是我认为这样做只会给代码带来额外的复杂性,对于性能而言应该不会有太大的提升,因为基于数组的ArrayBlockingQueue在数据的写入和读取操作已经非常轻巧了。

ArrayBlockingQueue支持公平性和非公平性,默认采用非公平模式,可以通过构造函数设置为公平访问策略(true)。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是支持优先级的无界队列。默认情况下采用自然顺序排序,当然也可以通过自定义Comparator来指定元素的排序顺序。

PriorityBlockingQueue内部采用二叉堆的实现方式,整个处理过程并不是特别复杂。添加操作则是不断“上冒”,而删除操作则是不断“下掉”。

DelayQueue

DelayQueue是一个支持延时操作的无界阻塞队列。列头的元素是最先“到期”的元素,如果队列里面没有元素到期,是不能从列头获取元素的,哪怕有元素也不行。也就是说只有在延迟期满时才能够从队列中去元素。

它主要运用于如下场景:

  • 缓存系统的设计:缓存是有一定的时效性的,可以用DelayQueue保存缓存的有效期,然后利用一个线程查询DelayQueue,如果取到元素就证明该缓存已经失效了。
  • 定时任务的调度:DelayQueue保存当天将要执行的任务和执行时间,一旦取到元素(任务),就执行该任务。

DelayQueue采用支持优先级的PriorityQueue来实现,但是队列中的元素必须要实现Delayed接口,Delayed接口用来标记那些应该在给定延迟时间之后执行的对象,该接口提供了getDelay()方法返回元素节点的剩余时间。同时,元素也必须要实现compareTo()方法,compareTo()方法需要提供与getDelay()方法一致的排序。

SynchronousQueue

SynchronousQueue是一个神奇的队列,他是一个不存储元素的阻塞队列,也就是说他的每一个put操作都需要等待一个take操作,否则就不能继续添加元素了,有点儿像Exchanger,类似于生产者和消费者进行交换。

队列本身不存储任何元素,所以非常适用于传递性场景,两者直接进行对接。其吞吐量会高于ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue。

SynchronousQueue支持公平和非公平的访问策略,在默认情况下采用非公平性,也可以通过构造函数来设置为公平性。

SynchronousQueue的实现核心为Transferer接口,该接口有TransferQueue和TransferStack两个实现类,分别对应着公平策略和非公平策略。接口Transferer有一个tranfer()方法,该方法定义了转移数据,如果e != null,相当于将一个数据交给消费者,如果e == null,则相当于从一个生产者接收一个消费者交出的数据。

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一个由链表组成的的无界阻塞队列,该队列是一个相当牛逼的队列:它是ConcurrentLinkedQueue、SynchronousQueue (公平模式下)、无界的LinkedBlockingQueues等的超集。

与其他BlockingQueue相比,他多实现了一个接口TransferQueue,该接口是对BlockingQueue的一种补充,多了tryTranfer()和transfer()两类方法:

  • tranfer():若当前存在一个正在等待获取的消费者线程,即立刻移交之。 否则,会插入当前元素e到队列尾部,并且等待进入阻塞状态,到有消费者线程取走该元素
  • tryTranfer(): 若当前存在一个正在等待获取的消费者线程(使用take()或者poll()函数),使用该方法会即刻转移/传输对象元素e;若不存在,则返回false,并且不进入队列。这是一个不阻塞的操作

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是一个有链表组成的双向阻塞队列,与前面的阻塞队列相比它支持从两端插入和移出元素。以first结尾的表示从对头操作,以last结尾的表示从对尾操作。

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。

扩展阅读

【死磕Java并发】-----J.U.C之阻塞队列:ArrayBlockingQueue
【死磕Java并发】-----J.U.C之阻塞队列:PriorityBlockingQueue
【死磕Java并发】-----J.U.C之阻塞队列:DelayQueue
【死磕Java并发】-----J.U.C之阻塞队列:SynchronousQueue
【死磕Java并发】-----J.U.C之阻塞队列:LinkedTransferQueue
【死磕Java并发】-----J.U.C之阻塞队列:LinkedBlockingDeque

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