程序员社区
当前位置：IDEA激活码 > Java面试题 > 正文

Java面试之JUC系列： 阻塞队列详细解析

2021-12-16 分类：Java面试题 阅读(366)

阻塞队列

概念

队列

队列就可以想成是一个数组，从一头进入，一头出去，排队买饭

阻塞队列

BlockingQueue 阻塞队列，排队拥堵，首先它是一个队列，而一个阻塞队列在数据结构中所起的作用大致如下图所示：

image-20200316152120272

线程1往阻塞队列中添加元素，而线程2从阻塞队列中移除元素

  • 当阻塞队列是空时，从队列中获取元素的操作将会被阻塞

    • 当蛋糕店的柜子空的时候，无法从柜子里面获取蛋糕

  • 当阻塞队列是满时，从队列中添加元素的操作将会被阻塞

    • 当蛋糕店的柜子满的时候，无法继续向柜子里面添加蛋糕了

也就是说 试图从空的阻塞队列中获取元素的线程将会被阻塞，直到其它线程往空的队列插入新的元素

同理，试图往已经满的阻塞队列中添加新元素的线程，直到其它线程往满的队列中移除一个或多个元素，或者完全清空队列后，使队列重新变得空闲起来，并后续新增

为什么要用？

去海底捞吃饭，大厅满了，需要进候厅等待，但是这些等待的客户能够对商家带来利润，因此我们非常欢迎他们阻塞

在多线程领域：所谓的阻塞，在某些清空下会挂起线程（即阻塞），一旦条件满足，被挂起的线程又会自动唤醒

为什么需要BlockingQueue

好处是我们不需要关心什么时候需要阻塞线程，什么时候需要唤醒线程，因为这一切BlockingQueue都帮你一手包办了

在concurrent包发布以前，在多线程环境下，我们每个程序员都必须自己取控制这些细节，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。

架构

// 你用过List集合类

// ArrayList集合类熟悉么？

// 还用过 CopyOnWriteList  和 BlockingQueue

BlockingQueue阻塞队列是属于一个接口，底下有七个实现类

  • ArrayBlockQueue：由数组结构组成的有界阻塞队列
  • LinkedBlockingQueue：由链表结构组成的有界（但是默认大小 Integer.MAX_VALUE）的阻塞队列
    • 有界，但是界限非常大，相当于无界，可以当成无界
  • PriorityBlockQueue：支持优先级排序的无界阻塞队列
  • DelayQueue：使用优先级队列实现的延迟无界阻塞队列
  • SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列，也即单个元素的队列
    • 生产一个，消费一个，不存储元素，不消费不生产
  • LinkedTransferQueue：由链表结构组成的无界阻塞队列
  • LinkedBlockingDeque：由链表结构组成的双向阻塞队列

这里需要掌握的是：ArrayBlockQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue

BlockingQueue核心方法

image-20200316154442756

抛出异常 当阻塞队列满时：在往队列中add插入元素会抛出 IIIegalStateException：Queue full 当阻塞队列空时：再往队列中remove移除元素，会抛出NoSuchException
特殊性 插入方法，成功true，失败false 移除方法：成功返回出队列元素，队列没有就返回空
一直阻塞 当阻塞队列满时，生产者继续往队列里put元素，队列会一直阻塞生产线程直到put数据or响应中断退出， 当阻塞队列空时，消费者线程试图从队列里take元素，队列会一直阻塞消费者线程直到队列可用。
超时退出 当阻塞队列满时，队里会阻塞生产者线程一定时间，超过限时后生产者线程会退出

抛出异常组

但执行add方法，向已经满的ArrayBlockingQueue中添加元素时候，会抛出异常

// 阻塞队列，需要填入默认值
BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);

System.out.println(blockingQueue.add("a"));
System.out.println(blockingQueue.add("b"));
System.out.println(blockingQueue.add("c"));

System.out.println(blockingQueue.add("XXX"));

运行后：

true
true
true
Exception in thread "main" java.lang.IllegalStateException: Queue full
	at java.util.AbstractQueue.add(AbstractQueue.java:98)
	at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.add(ArrayBlockingQueue.java:312)
	at com.moxi.interview.study.queue.BlockingQueueDemo.main(BlockingQueueDemo.java:25)

同时如果我们多取出元素的时候，也会抛出异常，我们假设只存储了3个值，但是取的时候，取了四次

// 阻塞队列，需要填入默认值
BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
System.out.println(blockingQueue.add("a"));
System.out.println(blockingQueue.add("b"));
System.out.println(blockingQueue.add("c"));

System.out.println(blockingQueue.remove());
System.out.println(blockingQueue.remove());
System.out.println(blockingQueue.remove());
System.out.println(blockingQueue.remove());

那么出现异常

true
true
true
a
b
c
Exception in thread "main" java.util.NoSuchElementException
	at java.util.AbstractQueue.remove(AbstractQueue.java:117)
	at com.moxi.interview.study.queue.BlockingQueueDemo.main(BlockingQueueDemo.java:30)

布尔类型组

我们使用 offer的方法，添加元素时候，如果阻塞队列满了后，会返回false，否者返回true

同时在取的时候，如果队列已空，那么会返回null

BlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue(3);

System.out.println(blockingQueue.offer("a"));
System.out.println(blockingQueue.offer("b"));
System.out.println(blockingQueue.offer("c"));
System.out.println(blockingQueue.offer("d"));

System.out.println(blockingQueue.poll());
System.out.println(blockingQueue.poll());
System.out.println(blockingQueue.poll());
System.out.println(blockingQueue.poll());

运行结果

true
true
true
false
a
b
c
null

阻塞队列组

我们使用 put的方法，添加元素时候，如果阻塞队列满了后，添加消息的线程，会一直阻塞，直到队列元素减少，会被清空，才会唤醒

一般在消息中间件，比如RabbitMQ中会使用到，因为需要保证消息百分百不丢失，因此只有让它阻塞

BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
blockingQueue.put("a");
blockingQueue.put("b");
blockingQueue.put("c");
System.out.println("================");

blockingQueue.take();
blockingQueue.take();
blockingQueue.take();
blockingQueue.take();

同时使用take取消息的时候，如果内容不存在的时候，也会被阻塞

不见不散组

offer( ) ， poll 加时间

使用offer插入的时候，需要指定时间，如果2秒还没有插入，那么就放弃插入

BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
System.out.println(blockingQueue.offer("a", 2L, TimeUnit.SECONDS));
System.out.println(blockingQueue.offer("b", 2L, TimeUnit.SECONDS));
System.out.println(blockingQueue.offer("c", 2L, TimeUnit.SECONDS));
System.out.println(blockingQueue.offer("d", 2L, TimeUnit.SECONDS));

同时取的时候也进行判断

System.out.println(blockingQueue.poll(2L, TimeUnit.SECONDS));
System.out.println(blockingQueue.poll(2L, TimeUnit.SECONDS));
System.out.println(blockingQueue.poll(2L, TimeUnit.SECONDS));
System.out.println(blockingQueue.poll(2L, TimeUnit.SECONDS));

如果2秒内取不出来，那么就返回null

SynchronousQueue

SynchronousQueue没有容量，与其他BlockingQueue不同，SynchronousQueue是一个不存储的BlockingQueue，每一个put操作必须等待一个take操作，否者不能继续添加元素

下面我们测试SynchronousQueue添加元素的过程

首先我们创建了两个线程，一个线程用于生产，一个线程用于消费

生产的线程分别put了 A、B、C这三个字段

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

new Thread(() -> {
    try {       
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t put A ");
        blockingQueue.put("A");
       
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t put B ");
        blockingQueue.put("B");        
        
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t put C ");
        blockingQueue.put("C");        
        
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}, "t1").start();

消费线程使用take，消费阻塞队列中的内容，并且每次消费前，都等待5秒

        new Thread(() -> {
            try {

                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                blockingQueue.take();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t take A ");

                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                blockingQueue.take();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t take B ");

                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                blockingQueue.take();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t take C ");

            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "t2").start();

最后结果输出为：

t1	 put A 
t2	 take A 

5秒后...

t1	 put B 
t2	 take B 

5秒后...

t1	 put C 
t2	 take C

我们从最后的运行结果可以看出，每次t1线程向队列中添加阻塞队列添加元素后，t1输入线程就会等待 t2消费线程，t2消费后，t2处于挂起状态，等待t1在存入，从而周而复始，形成 一存一取的状态

阻塞队列的用处

生产者消费者模式

一个初始值为0的变量，两个线程对其交替操作，一个加1，一个减1，来5轮

关于多线程的操作，我们需要记住下面几句

  • 线程 操作 资源类
  • 判断 干活 通知
  • 防止虚假唤醒机制

我们下面实现一个简单的生产者消费者模式，首先有资源类ShareData

/**
 * 资源类
 */
class ShareData {

    private int number = 0;

    private Lock lock = new ReentrantLock();

    private Condition condition = lock.newCondition();

    public void increment() throws Exception{
        // 同步代码块，加锁
        lock.lock();
        try {
            // 判断
            while(number != 0) {
                // 等待不能生产
                condition.await();
            }

            // 干活
            number++;

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t " + number);

            // 通知 唤醒
            condition.signalAll();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void decrement() throws Exception{
        // 同步代码块，加锁
        lock.lock();
        try {
            // 判断
            while(number == 0) {
                // 等待不能消费
                condition.await();
            }

            // 干活
            number--;

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t " + number);

            // 通知 唤醒
            condition.signalAll();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

}

里面有一个number变量，同时提供了increment 和 decrement的方法，分别让number 加1和减1

但是我们在进行判断的时候，为了防止出现虚假唤醒机制，不能使用if来进行判断，而应该使用while

// 判断
while(number != 0) {
    // 等待不能生产
    condition.await();
}

不能使用 if判断

// 判断
if(number != 0) {
    // 等待不能生产
    condition.await();
}

完整代码

/**
 * 生产者消费者 传统版
 * 题目：一个初始值为0的变量，两个线程对其交替操作，一个加1，一个减1，来5轮
 */
/**
 * 线程 操作 资源类
 * 判断 干活 通知
 * 防止虚假唤醒机制
 */

/**
 * 资源类
 */
class ShareData {

    private int number = 0;

    private Lock lock = new ReentrantLock();

    private Condition condition = lock.newCondition();

    public void increment() throws Exception{
        // 同步代码块，加锁
        lock.lock();
        try {
            // 判断
            while(number != 0) {
                // 等待不能生产
                condition.await();
            }

            // 干活
            number++;

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t " + number);

            // 通知 唤醒
            condition.signalAll();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void decrement() throws Exception{
        // 同步代码块，加锁
        lock.lock();
        try {
            // 判断
            while(number == 0) {
                // 等待不能消费
                condition.await();
            }

            // 干活
            number--;

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t " + number);

            // 通知 唤醒
            condition.signalAll();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

}
public class ProdConsumerTraditionDemo {

    public static void main(String[] args) {

        // 高内聚，低耦合    内聚指的是，一个空调，自身带有调节温度高低的方法

        ShareData shareData = new ShareData();

        // t1线程，生产
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                try {
                    shareData.increment();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "t1").start();

        // t2线程，消费
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                try {
                    shareData.decrement();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "t2").start();
    }
}

最后运行成功后，我们一个进行生产，一个进行消费

t1	 1
t2	 0
t1	 1
t2	 0
t1	 1
t2	 0
t1	 1
t2	 0
t1	 1
t2	 0

生成者和消费者3.0

在concurrent包发布以前，在多线程环境下，我们每个程序员都必须自己去控制这些细节，尤其还要兼顾效率和线程安全，则这会给我们的程序带来不小的时间复杂度

现在我们使用新版的阻塞队列版生产者和消费者，使用：volatile、CAS、atomicInteger、BlockQueue、线程交互、原子引用

/**
 * 生产者消费者  阻塞队列版
 * 使用：volatile、CAS、atomicInteger、BlockQueue、线程交互、原子引用
 *
 */

class MyResource {
    // 默认开启，进行生产消费
    // 这里用到了volatile是为了保持数据的可见性，也就是当TLAG修改时，要马上通知其它线程进行修改
    private volatile boolean FLAG = true;

    // 使用原子包装类，而不用number++
    private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

    // 这里不能为了满足条件，而实例化一个具体的SynchronousBlockingQueue
    BlockingQueue<String> blockingQueue = null;

    // 而应该采用依赖注入里面的，构造注入方法传入
    public MyResource(BlockingQueue<String> blockingQueue) {
        this.blockingQueue = blockingQueue;
        // 查询出传入的class是什么
        System.out.println(blockingQueue.getClass().getName());
    }

    /**
     * 生产
     * @throws Exception
     */
    public void myProd() throws Exception{
        String data = null;
        boolean retValue;
        // 多线程环境的判断，一定要使用while进行，防止出现虚假唤醒
        // 当FLAG为true的时候，开始生产
        while(FLAG) {
            data = atomicInteger.incrementAndGet() + "";

            // 2秒存入1个data
            retValue = blockingQueue.offer(data, 2L, TimeUnit.SECONDS);
            if(retValue) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 插入队列:" + data  + "成功" );
            } else {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 插入队列:" + data  + "失败" );
            }

            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 停止生产，表示FLAG=false，生产介绍");
    }

    /**
     * 消费
     * @throws Exception
     */
    public void myConsumer() throws Exception{
        String retValue;
        // 多线程环境的判断，一定要使用while进行，防止出现虚假唤醒
        // 当FLAG为true的时候，开始生产
        while(FLAG) {
            // 2秒存入1个data
            retValue = blockingQueue.poll(2L, TimeUnit.SECONDS);
            if(retValue != null && retValue != "") {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 消费队列:" + retValue  + "成功" );
            } else {
                FLAG = false;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 消费失败，队列中已为空，退出" );

                // 退出消费队列
                return;
            }
        }
    }

    /**
     * 停止生产的判断
     */
    public void stop() {
        this.FLAG = false;
    }

}
public class ProdConsumerBlockingQueueDemo {

    public static void main(String[] args) {
        // 传入具体的实现类， ArrayBlockingQueue
        MyResource myResource = new MyResource(new ArrayBlockingQueue<String>(10));

        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 生产线程启动");
            System.out.println("");
            System.out.println("");
            try {
                myResource.myProd();
                System.out.println("");
                System.out.println("");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "prod").start();


        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 消费线程启动");

            try {
                myResource.myConsumer();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "consumer").start();

        // 5秒后，停止生产和消费
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("");
        System.out.println("");
        System.out.println("5秒中后，生产和消费线程停止，线程结束");
        myResource.stop();
    }
}

最后运行结果

java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue
prod	 生产线程启动


consumer	 消费线程启动
prod	 插入队列:1成功
consumer	 消费队列:1成功
prod	 插入队列:2成功
consumer	 消费队列:2成功
prod	 插入队列:3成功
consumer	 消费队列:3成功
prod	 插入队列:4成功
consumer	 消费队列:4成功
prod	 插入队列:5成功
consumer	 消费队列:5成功


5秒中后，生产和消费线程停止，线程结束
prod	 停止生产，表示FLAG=false，生产介绍
赞(0) 打赏
未经允许不得转载：IDEA激活码 » Java面试之JUC系列： 阻塞队列详细解析

相关推荐

IDEA永久激活破解教程,IDEA激活码

pycharm激活破解教程,pycharm激活码

Java视频资源

Java电子书

DataGrip激活教程 Docker Git教程 IntellIJ idea IntelliJ IDEA激活码 Java Java IO Java基础 Java基础面试题 Java集合面试题 Java面试题 JVM JVM面试题 Linux MySQL MySQL面试题 Nginx PyCharm PyCharm激活 redis Redis SpringBoot SpringBoot SpringBoot面试题 Web开发 剑指Offer系列 多线程 多线程并发面试题 字符串面试题 数据库 数据库 数据结构与算法 未分类 爬虫 电子书 软件下载

一个分享Java & Python知识的社区