詳解Java如何實現(xiàn)一個BlockingQueue

更新時間：2023年06月28日 14:04:50 作者：Shawn_Shawn

這篇文章主要為大家詳細介紹了Java如何實現(xiàn)一個BlockingQueue阻塞隊列，文中的示例代碼講解詳細，感興趣的小伙伴可以跟隨小編一起學(xué)習(xí)一下

線程同步與線程互斥的區(qū)別

互斥與同步是多線程需要解決的兩大核心問題?；コ馔ㄟ^互斥鎖來解決問題，同步則是通過同步工具來解決。

互斥是一種間接制約關(guān)系，是指系統(tǒng)中的某些共享資源，一次只允許一個線程訪問。當(dāng)一個線程正在訪問該臨界資源時，其它線程必須等待。

同步，又稱直接制約關(guān)系，是指多個線程（或進程）為了合作完成任務(wù)，必須嚴格按照規(guī)定的某種先后次序來運行。

如何實現(xiàn)一個BlockingQueue

如果有線程需要在某些“條件”滿足后才接著后續(xù)操作，要如何實現(xiàn)？

例如：設(shè)計一個阻塞隊列，當(dāng)隊列元素為空的時候，不允許讀取線程讀取，當(dāng)隊列元素滿的時候，不允許寫入線程寫入。

要實現(xiàn)這樣的功能，需要一個完整的等待-通知機制：線程首先獲取互斥鎖，當(dāng)線程要求的條件不滿足時，釋放互斥鎖，進入等待狀態(tài)；當(dāng)要求的條件滿足時，通知等待的線程，重新獲取互斥鎖。

在java中可以通過這么幾種方式來實現(xiàn)

synchronized + loop
synchronized + wait + notifyAll
Condition
Semaphore

其中1不常用，2和3都可以稱之為條件變量，4為信號量，本篇文章主要講解條件變量的實現(xiàn)方式。

Synchronized + Look實現(xiàn)BlockingQueue

public class BlockingQueueWithLoop implements Queue {
?
 ?private int[] elements;
 ?private int head;
 ?private int tail;
 ?private volatile int size; // 隊列元素個數(shù)
?
 ?public BlockingQueueWithLoop() {
 ? ?this(10);
  }
?
 ?public BlockingQueueWithLoop(int capacity) {
 ? ?this.elements = new int[capacity];
 ? ?this.head = 0;
 ? ?this.tail = 0;
 ? ?this.size = 0;
  }
?
 ?@Override
 ?public void put(int e) throws InterruptedException {
 ? ?while (size == elements.length) {} // 使用自旋鎖，等待隊列不滿
 ? ?synchronized (this) {
 ? ? ?if(size == elements.length){ // 雙重檢索
 ? ? ? ?return;
 ? ?  }
 ? ? ?elements[tail] = e;
 ? ? ?tail++;
 ? ? ?if (tail == elements.length) {
 ? ? ? ?tail = 0;
 ? ?  }
 ? ? ?size++;
 ?  }
  }
?
 ?@Override
 ?public int take() throws InterruptedException {
 ? ?while (true) {
 ? ? ?while (size <= 0) {} // 使用自旋鎖，等待隊列不為空
?
 ? ? ?synchronized (this) { // 隊列不為空，需要加鎖
 ? ? ? ?if (size > 0) { ? ? // 雙重檢索
 ? ? ? ? ?int e = elements[head];
 ? ? ? ? ?head++;
 ? ? ? ? ?if (head == elements.length) {
 ? ? ? ? ? ?head = 0;
 ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ?size--;
 ? ? ? ? ?return e;
 ? ? ?  }
 ? ?  }
 ?  }
  }
?
 ?@Override
 ?public synchronized int size() {
 ? ?return size;
  }
?
 ?@Override
 ?public synchronized boolean isEmpty() {
 ? ?return size == 0;
  }
}

我們通過使用自旋來等待隊列滿足（為空，為滿）的條件。

需要注意的是，當(dāng)自旋檢測到隊列不滿足條件之后，為了保證后續(xù)操作線程安全，我們需要對其進行加鎖。

在加鎖之后，我們需要再次檢查隊列是否滿足條件（為空？為滿）。這有點類似線程安全單例類中的雙重檢測。這樣做的原因是，多個線程有可能同時執(zhí)行put()/take()函數(shù)，并且同時檢測到隊列不滿足條件，于是，它們依次獲取鎖然后從隊列中操作數(shù)據(jù)，如果不在獲取鎖之后重新檢測，那么就有可能導(dǎo)致數(shù)組訪問越界或者其他未知問題。

當(dāng)然，我們也無法將自旋邏輯放如synchronized代碼塊中，如果這樣做的話，那么可能會導(dǎo)致死鎖。

條件變量實現(xiàn)BlockingQueue

自旋并不會讓線程進入阻塞狀態(tài)。如果線程將一直執(zhí)行while循環(huán)，白白浪費CPU資源，甚至?xí)孋PU使用率達到100%。

為了減少對CPU資源的浪費，我們可以在while循環(huán)中調(diào)用sleep()函數(shù)，讓線程睡眠一小段時間。但這樣會導(dǎo)致性能下降，如果sleep一段時間，不能立刻獲取到隊列的狀態(tài)，導(dǎo)致響應(yīng)不及時。

所以我們需要另外一套方案來實現(xiàn)阻塞隊列，那就是通過條件變量來解決浪費CPU資源和響應(yīng)不及時這兩個問題。

java對于條件變量的實現(xiàn)有兩種：

Object.wait()/Object.notify()/Object.notifyAll()
ReentrantLock.Condition

Object.wait()/notifyAll()/notify()

首先java內(nèi)置的條件變量，是使用Object類上的wait/notify/notifyAll方法實現(xiàn)的。

public class Object {
 ?public final void wait() throws InterruptedException;
 ?public final native void wait(long timeoutMillis) throws InterruptedException;
 ?public final void wait(long timeoutMillis, int nanos) throws InterruptedException 
 ?public final native void notify();
 ?public final native void notifyAll();
}

說明：

線程調(diào)用wait()，線程狀態(tài)會進入WAITING狀態(tài)。
線程調(diào)用wait(long timeoutMillis)，線程狀態(tài)會進入TIMED_WAITING狀態(tài)，等待時間超過了預(yù)設(shè)的超時時間。
其余線程調(diào)用notify()/notifyAll()喚醒此線程。
線程被中斷，調(diào)用wait()/wait(long timeout)會拋出InterruptedException異常。

public class BlockingQueueWithSync implements Queue {
?
 ?private int[] elements;
 ?private int head;
 ?private int tail;
 ?private volatile int size; // 隊列元素個數(shù)
?
 ?public BlockingQueueWithSync() {
 ? ?this(10);
  }
?
 ?public BlockingQueueWithSync(int capacity) {
 ? ?this.elements = new int[capacity];
 ? ?this.head = 0;
 ? ?this.tail = 0;
 ? ?this.size = 0;
  }
?
 ?@Override
 ?public synchronized void put(int e) throws InterruptedException {
 ? ?// 當(dāng)隊列滿的時候阻塞
 ? ?while (size == elements.length) {
 ? ? ?this.wait();
 ?  }
 ? ?elements[tail] = e;
 ? ?tail++;
 ? ?if (tail == elements.length) {
 ? ? ?tail = 0;
 ?  }
 ? ?size++;
 ? ?// 通知其他線程有數(shù)據(jù)了
 ? ?this.notifyAll();
  }
?
 ?@Override
 ?public synchronized int take() throws InterruptedException {
 ? ?// 當(dāng)隊列空的時候阻塞
 ? ?while (isEmpty()) {
 ? ? ?this.wait();
 ?  }
 ? ?int e = elements[head];
 ? ?if (++head == elements.length) {
 ? ? ?head = 0;
 ?  }
 ? ?--size;
 ? ?// 通知其他線程，暫無數(shù)據(jù)
 ? ?this.notifyAll();
 ? ?return e;
  }
?
 ?@Override
 ?public synchronized int size() {
 ? ?return size;
  }
?
 ?@Override
 ?public synchronized boolean isEmpty() {
 ? ?return size == 0;
  }
}

如圖所示，wait()和notify()的工作流程如下：

需要注意的是：

wait()和notify()都是Object類里的方法，原則上是可以單獨調(diào)用的，但是會配合狀態(tài)聯(lián)合調(diào)用
在調(diào)用wait()和notify()的時候，需要加鎖，因為狀態(tài)的檢查和業(yè)務(wù)邏輯執(zhí)行構(gòu)成一組復(fù)合操作，如果不加鎖就會出現(xiàn)線程不安全的問題。
當(dāng)狀態(tài)不滿足條件的時候，會調(diào)用wait方法，進入等待隊列等待被喚醒，此時需要釋放鎖，否則其他線程將無法獲取到鎖，也就無法更新狀態(tài)。
當(dāng)?shù)却械木€程被喚醒時，必須再次競爭獲取到鎖的機會，需要再次檢查狀態(tài)是否滿足條件。
while循環(huán)是為了避免線程被假喚醒。

wait()和notify()實現(xiàn)原理如下：

// ObjectMonitor.cpp
void ObjectMonitor::wait(jlong millis, bool interruptible, TRAPS) {}
void ObjectMonitor::notify(TRAPS) {}
void ObjectMonitor::notifyAll(TRAPS) {}

當(dāng)某個線程調(diào)用wait()函數(shù)時，線程會將自己放入_WaitSet中，并釋放持有的鎖，調(diào)用park()阻塞自己。

當(dāng)其他線程調(diào)用notify()

如果_EntryList或者_cxq不為空時，那么它會從_WaitSet取出一個線程放入_EntryList中，讓其排隊等待鎖。
如果_EntryList或者_cxq均為空時，那么它會從_WaitSet取出一個線程直接調(diào)用這個線程的unpark()方法取消其阻塞狀態(tài)，讓其去競爭鎖。

當(dāng)調(diào)用了wait()的線程再次獲取到鎖的時候，會從wait()中返回，繼續(xù)檢查狀態(tài)是否滿足條件，如果不滿足則繼續(xù)執(zhí)行上述兩步，如果滿足了，則執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯。

notify()和notifyAll()的區(qū)別在于notifyAll()會將_WaitSet中所有線程取出來放入_EntryList中，讓他們一起競爭鎖。

ReentrantLock+Condition

public class BlockingQueueWithCondition implements Queue {
?
 ?private int[] elements;
 ?private int head;
 ?private int tail;
 ?private volatile int size; // 隊列元素個數(shù)
 ?private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
 ?private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
 ?private final Condition notFull = lock.newCondition();
?
 ?public BlockingQueueWithCondition() {
 ? ?this(10);
  }
?
 ?public BlockingQueueWithCondition(int capacity) {
 ? ?this.elements = new int[capacity];
 ? ?this.head = 0;
 ? ?this.tail = 0;
 ? ?this.size = 0;
  }
?
 ?@Override
 ?public void put(int e) throws InterruptedException {
 ? ?lock.lockInterruptibly();
 ? ?try {
 ? ? ?while (size == elements.length) {
 ? ? ? ?notFull.await();
 ? ?  }
 ? ? ?elements[tail] = e;
 ? ? ?tail++;
 ? ? ?if (tail == elements.length) {
 ? ? ? ?tail = 0;
 ? ?  }
 ? ? ?size++;
 ? ? ?notEmpty.signalAll();
 ?  } finally {
 ? ? ?lock.unlock();
 ?  }
  }
?
 ?@Override
 ?public int take() throws InterruptedException {
 ? ?lock.lockInterruptibly();
 ? ?try {
 ? ? ?while (isEmpty()) {
 ? ? ? ?notEmpty.await();
 ? ?  }
 ? ? ?int e = elements[head];
 ? ? ?if (++head == elements.length) {
 ? ? ? ?head = 0;
 ? ?  }
 ? ? ?--size;
 ? ? ?notFull.signalAll();
 ? ? ?return e;
 ?  } finally {
 ? ? ?lock.unlock();
 ?  }
  }
?
 ?@Override
 ?public int size() {
 ? ?try {
 ? ? ?lock.lock();
 ? ? ?return size;
 ?  } finally {
 ? ? ?lock.unlock();
 ?  }
  }
?
 ?@Override
 ?public boolean isEmpty() {
 ? ?try {
 ? ? ?lock.lock();
 ? ? ?return size == 0;
 ?  } finally {
 ? ? ?lock.unlock();
 ?  }
  }
}

Condition是java SDK里提供的一種條件變量實現(xiàn)方式，其原理與Object#wait()以及Object#notify()類似

// java.util.concurrent.locks.Condition
public interface Condition {
 ? ?void await() throws InterruptedException;
 ? ?void awaitUninterruptibly();
 ? ?long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
 ? ?boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
 ? ?boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
 ? ?void signal();
 ? ?void signalAll();
}

Condition里的awaitXXX(XXX)方法基本等同于Object#wait()，但是比Object#wait()提供了更多的等待形式。例如：

Condition#awaitUninterruptibly()，表示此方法執(zhí)行中，不可以被中斷。
Condition#awaitNanos(long nanosTimeout)，表示等待超過nanosTimeout納秒時，函數(shù)返回，返回值為等待時間。
Condition#await(long time, TimeUnit unit)，跟awaitNanos類似。
Condition#awaitUntil(Date deadline)，表示等待到某個時間點deadline，函數(shù)返回，返回值如果為false則表示已經(jīng)超時，返回值如果為true，則表示線程被中斷或者被喚醒。

Condition里的signalXXX()方法基本等同于Object#notify()/notifyAll()。

Condition實現(xiàn)原理如下：

Condition是一個接口，其實現(xiàn)類為java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject，是AQS的一個內(nèi)部類，側(cè)面說明條件變量是需要相關(guān)的鎖操作的。

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
 ? ?private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
 ? ?/** First node of condition queue. */
 ? ?private transient Node firstWaiter;
 ? ?/** Last node of condition queue. */
 ? ?private transient Node lastWaiter;
 ? ?// ...
}
?
static final class Node {
  volatile int waitStatus;
  volatile Node prev;
  volatile Node next;
  volatile Thread thread;
  Node nextWaiter; // 用于Condition
}

通過 firstWaiter 和 lastWaiter 構(gòu)建的隊列稱為等待隊列，用來存儲調(diào)用了await()函數(shù)的線程

AQS也包含一個隊列，通過head和tail構(gòu)建的同步隊列，用于存儲等待鎖的線程。

一個 Node 可以同時加入等待隊列和同步隊列。

如上圖所示，Lock中的同步隊列是雙向鏈表，由于雙向鏈表的操作復(fù)雜性，增加虛擬頭節(jié)點可以有效簡化操作。Condition中的等待隊列是單向鏈表，就沒有必要增加虛擬頭節(jié)點的必要了。

await()源代碼如下：

public final void await() throws InterruptedException {
 ? ?// 檢測到中斷，拋異常
 ? ?if (Thread.interrupted())
 ? ? ? ?throw new InterruptedException();
    // 將線程包裹為Node添加到Condition等待隊列尾部
 ? ?Node node = addConditionWaiter();
 ? ?// 將state修改為0，返回釋放前鎖的狀態(tài)
 ? ?int savedState = fullyRelease(node);
 ? ?int interruptMode = 0;
 ? ?while (!isOnSyncQueue(node)) { // 被意外喚醒的話需要再次掛起
 ? ? ? ?LockSupport.park(this);
 ? ? ? ?if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
 ? ? ? ? ? ?break;
 ?  }
 ? ?// 接收到 signal，返回前需要再排隊等待鎖
 ? ?if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
 ? ? ? ?interruptMode = REINTERRUPT;
 ? ?if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
 ? ? ? ?unlinkCancelledWaiters();
 ? ?if (interruptMode != 0)
 ? ? ? ?reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
?
// 加入條件等待隊列
private Node addConditionWaiter() {
 ? ?Node t = lastWaiter;
 ? ?// If lastWaiter is cancelled, clean out.
 ? ?if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
 ? ? ? ?unlinkCancelledWaiters();
 ? ? ? ?t = lastWaiter;
 ?  }
?
 ? ?// 加入鏈表末尾
 ? ?Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
 ? ?if (t == null)
 ? ? ? ?firstWaiter = node;
 ? ?else
 ? ? ? ?t.nextWaiter = node;
 ? ?lastWaiter = node;
 ? ?return node;
}
?
?
// 意外喚醒
final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
 ? ?// 進入同步隊列時，waitStatus為0,且prev指向前驅(qū)節(jié)點
 ? ?// 之后節(jié)點可能被取消，狀態(tài)變?yōu)镃ANCELLED
 ? ?if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
 ? ? ? ?return false;
 ? ?// 存在后繼節(jié)點，肯定在同步隊列中
 ? ?if (node.next != null) 
 ? ? ? ?return true;
 ? ?// 兜底，從tail查找，確保node已經(jīng)被加入同步隊列
 ? ?return findNodeFromTail(node);
}
?

signal()源代碼如下：

public final void signal() {
 ?// 必須保證持有鎖
 ?if (!isHeldExclusively())
 ? ?throw new IllegalMonitorStateException();
 ?Node first = firstWaiter;
 ?if (first != null)
 ? ?// 喚醒隊首線程
 ? ?doSignal(first);
}
?
private void doSignal(Node first) {
 ?do {
 ? ?// 將first移出隊列
 ? ?if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
 ? ? ?lastWaiter = null;
 ? ?first.nextWaiter = null;
  } while (!transferForSignal(first) && ?// 喚醒線程
 ? ? ? ? ? (first = firstWaiter) != null);
}
?
final boolean transferForSignal(Node node) {
 ?// 節(jié)點狀態(tài)不為CONDITION，說明已經(jīng)被取消了，不進行喚醒
 ?if (!node.compareAndSetWaitStatus(Node.CONDITION, 0))
 ? ?return false;
 ?// 將節(jié)點加入到同步隊列，返回之前的隊尾節(jié)點
 ?Node p = enq(node);
 ?int ws = p.waitStatus;
 ?// 如果設(shè)置前驅(qū)節(jié)點的狀態(tài)失?。ㄈ缜膀?qū)已被取消）則直接喚醒線程
 ?// 喚醒后的線程會在 `await` 中執(zhí)行 `acquireQueued` 直到搶鎖成功
 ?if (ws > 0 || !p.compareAndSetWaitStatus(ws, Node.SIGNAL))
 ? ?LockSupport.unpark(node.thread);
 ?return true;
}

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