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一文秒懂 Java BlockingQueue

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本文中,我们将介绍一个 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 – BlockQueue。我们将介绍BlockingQueue 接口的 API 以及如何使用该接口的方法使编写并发程序更容易。

在本文的后面,我们将展示一个具有多个生产者线程和多个消费者线程的简单程序的示例。

BlockingQueue 的队列类型

java.util.concurrent 提供了两种类型的 BlockingQueue:

  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

无限队列

创建一个无限队列的方法很简单

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

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,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。

有限队列

第二种类型的队列是有限队列。我们可以通过将容量作为参数传递给构造函数来创建这样的队列

BlockingQueue<String> blockingQueue = new LinkedBlockingDeque<>(10);

上面这句代码中,我们设置了 blockingQueue 的容量为 10 。这意味着当消费者尝试将元素添加到已经满了的队列时,结果取决于添加元素的方法( offer()add()put() ) ,它将阻塞,直到有足够的空间可以插入元素。否则,添加操作将会失败。

使用有限队列是设计并发程序的好方法,因为当我们将元素插入到已经满了的队列时,这些操作需要等到消费者赶上并在队列中提供一些空间。这种机制可以让那个我们不做任何其它更改就可以实现节流。

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。

添加元素

BlockingQueue 提供了以下方法用于添加元素

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

检索元素

BlockingQueue 提供了以下方法用于检索元素

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。

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,并将该数字放在 BlockingQueue 中。我们将创建 4 个线程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。

从生产者向消费者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。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。

我们来看以下生产者的代码

public class NumbersProducer implements Runnable {
    private BlockingQueue<Integer> numbersQueue;
    private final int poisonPill;
    private final int poisonPillPerProducer;

    public NumbersProducer(BlockingQueue<Integer> numbersQueue, int poisonPill, int poisonPillPerProducer) {
        this.numbersQueue = numbersQueue;
        this.poisonPill = poisonPill;
        this.poisonPillPerProducer = poisonPillPerProducer;
    }
    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));
        }
        for (int j = 0; j < poisonPillPerProducer; j++) {
            numbersQueue.put(poisonPill);
        }
     }
}

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 个元素放入队列中。它还需要有毒 ( poison ) 丸 ( pill ) 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 ) ,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。

这将使我们深入了解消费者的内部运作机制

public class NumbersConsumer implements Runnable {
    private BlockingQueue<Integer> queue;
    private final int poisonPill;

    public NumbersConsumer(BlockingQueue<Integer> queue, int poisonPill) {
        this.queue = queue;
        this.poisonPill = poisonPill;
    }
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                Integer number = queue.take();
                if (number.equals(poisonPill)) {
                    return;
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " result: " + 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 100 个元素。

我们希望有 4 个生产者线程,并且有许多消费者线程将等于可用处理器的数量

int BOUND = 10;
int N_PRODUCERS = 4;
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);

for (int i = 1; i < N_PRODUCERS; i++) {
    new Thread(new NumbersProducer(queue, poisonPill, poisonPillPerProducer)).start();
}

for (int j = 0; j < N_CONSUMERS; j++) {
    new Thread(new NumbersConsumer(queue, poisonPill)).start();
}

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。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。

当我们运行程序时,4 个生产者线程将随机整数放入 BlockingQueue 中,消费者将从队列中获取这些元素。每个线程将打印到标准输出线程的名称和结果。

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