【操作系统】阻塞队列以及生产者消费者模型

阻塞队列

一. 概念

阻塞队列是⼀种特殊的队列.也遵守"先进先出"的原则.

阻塞队列能是⼀种线程安全的数据结构,并且具有以下特性:

当队列满的时候,继续⼊队列就会阻塞,直到有其他线程从队列中取⾛元素.
当队列空的时候,继续出队列也会阻塞,直到有其他线程往队列中插⼊元素

阻塞队列的⼀个典型应⽤场景就是"生产者消费者模型".这是⼀种⾮常典型的开发模型
生产者

消费者模式就是通过⼀个容器来解决生产者和消费者的强耦合问题。

生产者和消费者彼此之间不直接通讯，⽽通过阻塞队列来进⾏通讯，所以生产者生产完数据之后不⽤等待消费者处理，直接扔给阻塞队列，消费者不找生产者要数据，⽽是直接从阻塞队列⾥取.

生产者消费者模型的实现一共有两大步骤：

实现生产者
实现消费者

二. 标准库中的阻塞队列

在Java标准库中内置了阻塞队列.如果我们需要在⼀些程序中使⽤阻塞队列,直接使⽤标准库中的即
可.

BlockingQueue是⼀个接⼝.真正实现的类是LinkedBlockingQueue
put⽅法⽤于阻塞式的⼊队列,take⽤于阻塞式的出队列
BlockingQueue也有offer,poll,peek等⽅法,但是这些⽅法不带有阻塞特性

阻塞队列的伪代码如下:

BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>();// ⼊队列
queue.put("abc");// 出队列. 如果没有 put 直接 take, 就会阻塞.
String elem = queue.take();

三. 生产者消费者模型

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {BlockingQueue<Integer> blockingQueue = new LinkedBlockingQueue<Integer>();Thread customer = new Thread(() -> {while (true) {try {int value = blockingQueue.take();System.out.println("消费元素: " + value);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}, "消费者");customer.start();Thread producer = new Thread(() -> {Random random = new Random();while (true) {try {int num = random.nextInt(1000);System.out.println("生产元素: " + num);blockingQueue.put(num);Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}, "生产者");producer.start();customer.join();producer.join();
}

四. 阻塞队列实现

通过"循环队列"的⽅式来实现.
使⽤synchronized进⾏加锁控制.
put插⼊元素的时候,判定如果队列满了,就进⾏wait.(注意,要在循环中进⾏wait.被唤醒时不⼀定,队列就不满了,因为同时可能是唤醒了多个线程).
take取出元素的时候,判定如果队列为空,就进⾏wait.(也是循环wait)

public class BlockingQueue {private int[] items = new int[1000];private volatile int size = 0;private volatile int head = 0;private volatile int tail = 0;public void put(int value) throws InterruptedException {synchronized (this) {// 此处最好使⽤ while.// 否则 notifyAll 的时候, 该线程从 wait 中被唤醒,// 但是紧接着并未抢占到锁. 当锁被抢占的时候, 可能⼜已经队列满了// 就只能继续等待while (size == items.length) {wait();}items[tail] = value;tail = (tail + 1) % items.length;size++;notifyAll();}}public int take() throws InterruptedException {int ret = 0;synchronized (this) {while (size == 0) {wait();}ret = items[head];head = (head + 1) % items.length;size--;notifyAll();}return ret;}public synchronized int size() {return size;}// 测试代码public static void main(String[] args) throws InterruptedException {BlockingQueue blockingQueue = new BlockingQueue();Thread customer = new Thread(() -> {while (true) {try {int value = blockingQueue.take();System.out.println(value);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}, "消费者");	customer.start();Thread producer = new Thread(() -> {Random random = new Random();while (true) {					try {blockingQueue.put(random.nextInt(10000));} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}, "生产者");producer.start();customer.join();producer.join();}
}