【JavaSE】【多线程】阻塞队列

一、阻塞队列

阻塞队列：是一种特殊的队列，也有先进先出的特性。它是一种线程安全的队列。
有以下两个特性：

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。
阻塞队列的一个重要应用场景就是：实现生产者消费模型。

1.1 生产者消费者模型

生产者消费者模型：是多线程编程中的一种典型的编码技巧。用来降低生产者与消费者之间的耦合度。生产者和消费者之间的交易场所就是一个阻塞队列。

这样的模型的优势有以下两个：

解耦合，降低代码耦合度：
像如果是A B两个服务器，之间直接进行交互，如果对A或者B中的数据进行修改操作，大概率就会影响到另一个服务器。而使用阻塞队列作为交易平台，我们修改服务器的数据时，由于阻塞队列中的结构固定，两个服务器之间的耦合度就降低。
削峰削谷：
在服务器中，波峰就是请求量高的时候，波谷就是请求量低的时候。
如果是AB两个服务器之间进行交互，当上游服务器A经历波峰，将大量请求传给服务器B的时候，服务器就有可能挂掉。
因为上游服务器，干的活简单，消耗的资源少；而下游服务器，干的活复杂，消耗的的资源就多。
但是如果我们将阻塞队列作为交易平台，那么服务器B就可以依据自己的节奏从队列中拿请求。

但是这样的模型也会付出代价：

引入阻塞队列之后整体结构会更加复杂。比如本来是AB两个服务器之间的交互，但引入一个作为阻塞队列的服务器（这种称为消息队列），就需要部署这个服务器，还要与AB实现交互。
效率也会有影响。

1.2 Java提供的阻塞队列

提供了一个BlockingDeque的接口（需要导java.util.concurrent.BlockingQueue包）：

主要使用下面3个实现了BlockingDeque接口的来实例化阻塞队列：

链表实现的，LinkedBlockingDeque（需要导java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque包）:
数组实现的，ArrayBlockingDeque需要导`java.util.concurrent.ArrayBlockingDeque包）:
小根堆实现的，PriorityBlockingDeque需要导java.util.concurrent.PriorityBlockingDeque包）:

在阻塞队列中我们虽然可以使用队列中常用的出队列入队列方法，但是那些方法不带阻塞效果。带阻塞效果的入队列方法是put，出队列方法是take，这两个方法都会抛出InterruptedException异常。

1.3 实现一个简单生产者消费者模型

实现一个简单的生产者消费者模型：

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;public class Demo {public static void main(String[] args) {BlockingQueue<Integer> blockingQueue = new LinkedBlockingDeque<>(1000);Thread producer = new Thread(() -> {int i = 0;while(true) {try {blockingQueue.put(i++);System.out.println(i + "入队列成功");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}});Thread consumer = new Thread(() -> {while(true){try {int x = blockingQueue.take();System.out.println(x + "出队列成功");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}});producer.start();consumer.start();}
}

二、自己实现阻塞队列

我们使用数组来实现一个循环队列。
不知道循环队列的实现的可以看下面这个链接：队列

2.1 成员变量

使用capacity代表数组的最大长度；
使用size表示数组中元素的个数；
head表示队头元素的下标；
tail表示队尾元素的下标。

	private int capacity = 0xffff;private String[] elem ;//存储数组private int size;//存储元素个数private int head;//队头private int tail;//队尾

2.2 构造方法

提供两个构造方法：

使用默认最大值初始化数组；
使用传的参初始化数组。

    public MyBlockingQueue(int capacity) {this.capacity = capacity;elem = new String[this.capacity];}public MyBlockingQueue() {elem = new String[this.capacity];}

2.3 put方法

由于put和take方法都涉及到修改判断等操作，为避免原子性问题带来线程安全问题对该这些操作都要加锁。

在put方法中我们需要在队列满的时候发生阻塞，使用wait来等待。而在Java官方文档给出了建议我们使用循环语句来使用wait。

因为wait是除了notify唤醒外，还有可能被interrupt方法唤醒抛出异常，如果只要if，不用while，抛出异常后就会继续执行下面的逻辑，带来bug。而使用循环就不会，抛出异常后，会再次判断循环条件。

最后在入队成功后发出一个通知notify来唤醒由于队列空而阻塞等待的线程。

    public void put(String s) throws InterruptedException {synchronized (this) {while(size == elem.length) {this.wait();}elem[tail] = s;tail = (tail+1) % elem.length;size++;this.notify();}}

2.4 take方法

当队列为空的时候，跟put一样使用wait来阻塞。
最后在出队成功后发出一个通知notify来唤醒由于队列满而阻塞等待的线程。

 public String take() throws InterruptedException {synchronized (this) {while(size == 0) {this.wait();}String ret = elem[head];head = (head+1) % capacity;size--;this.notify();return ret;}}

2.5 最终代码

最终我们自己实现的一个简单的阻塞队列就如下：

public class MyBlockingQueue {private int capacity = 0xffff;private String[] elem ;//存储数组private int size;//存储元素个数private int head;//队头private int tail;//队尾public MyBlockingQueue(int length) {elem = new String[length];}public MyBlockingQueue() {elem = new String[this.capacity];}public void put(String s) throws InterruptedException {synchronized (this) {while(size == elem.length) {this.wait();}elem[tail] = s;tail = (tail+1) % capacity;size++;this.notify();}}public String take() throws InterruptedException {synchronized (this) {while(size == 0) {this.wait();}String ret = elem[head];head = (head+1) % capacity;size--;this.notify();return ret;}}
}