聊聊併發（七）——Java中的阻塞佇列
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1. 什麼是阻塞佇列？
阻塞佇列（BlockingQueue）是一個支援兩個附加操作的佇列。這兩個附加的操作是：在佇列為空時，獲取元素的執行緒會等待佇列變為非空。當佇列滿時，儲存元素的執行緒會等待佇列可用。阻塞佇列常用於生產者和消費者的場景，生產者是往佇列裡新增元素的執行緒，消費者是從佇列裡拿元素的執行緒。阻塞佇列就是生產者存放元素的容器，而消費者也只從容器裡拿元素。
阻塞佇列提供了四種處理方法:
| 方法\處理方式 | 丟擲異常 | 返回特殊值 | 一直阻塞 | 超時退出 |
|---|---|---|---|---|
| 插入方法 | add(e) | offer(e) | put(e) | offer(e,time,unit) |
| 移除方法 | remove() | poll() | take() | poll(time,unit) |
| 檢查方法 | element() | peek() | 不可用 | 不可用 |
- 丟擲異常：是指當阻塞佇列滿時候，再往佇列裡插入元素，會丟擲IllegalStateException(“Queue full”)異常。當佇列為空時，從佇列裡獲取元素時會丟擲NoSuchElementException異常 。
- 返回特殊值：插入方法會返回是否成功，成功則返回true。移除方法，則是從佇列裡拿出一個元素，如果沒有則返回null
- 一直阻塞：當阻塞佇列滿時，如果生產者執行緒往佇列裡put元素，佇列會一直阻塞生產者執行緒，直到拿到資料，或者響應中斷退出。當佇列空時，消費者執行緒試圖從佇列裡take元素，佇列也會阻塞消費者執行緒，直到佇列可用。
- 超時退出：當阻塞佇列滿時，佇列會阻塞生產者執行緒一段時間，如果超過一定的時間，生產者執行緒就會退出。
2. Java裡的阻塞佇列
JDK7提供了7個阻塞佇列。分別是
- ArrayBlockingQueue ：一個由陣列結構組成的有界阻塞佇列。
- LinkedBlockingQueue ：一個由連結串列結構組成的有界阻塞佇列。
- PriorityBlockingQueue ：一個支援優先順序排序的無界阻塞佇列。
- DelayQueue：一個使用優先順序佇列實現的無界阻塞佇列。
- SynchronousQueue：一個不儲存元素的阻塞佇列。
- LinkedTransferQueue：一個由連結串列結構組成的無界阻塞佇列。
- LinkedBlockingDeque：一個由連結串列結構組成的雙向阻塞佇列。
ArrayBlockingQueue
ArrayBlockingQueue是一個用陣列實現的有界阻塞佇列。此佇列按照先進先出（FIFO）的原則對元素進行排序。預設情況下不保證訪問者公平的訪問佇列，所謂公平訪問佇列是指阻塞的所有生產者執行緒或消費者執行緒，當佇列可用時，可以按照阻塞的先後順序訪問佇列，即先阻塞的生產者執行緒，可以先往佇列裡插入元素，先阻塞的消費者執行緒，可以先從佇列裡獲取元素。通常情況下為了保證公平性會降低吞吐量。我們可以使用以下程式碼建立一個公平的阻塞佇列：
ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);
訪問者的公平性是使用可重入鎖實現的，程式碼如下：
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
lock = new ReentrantLock(fair);
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}
LinkedBlockingQueue
LinkedBlockingQueue是一個用連結串列實現的有界阻塞佇列。此佇列的預設和最大長度為Integer.MAX_VALUE。此佇列按照先進先出的原則對元素進行排序。
PriorityBlockingQueue
PriorityBlockingQueue是一個支援優先順序的無界佇列。預設情況下元素採取自然順序排列，也可以通過比較器comparator來指定元素的排序規則。元素按照升序排列。
DelayQueue
DelayQueue是一個支援延時獲取元素的無界阻塞佇列。佇列使用PriorityQueue來實現。佇列中的元素必須實現Delayed介面，在建立元素時可以指定多久才能從佇列中獲取當前元素。只有在延遲期滿時才能從佇列中提取元素。我們可以將DelayQueue運用在以下應用場景：
- 快取系統的設計：可以用DelayQueue儲存快取元素的有效期，使用一個執行緒迴圈查詢DelayQueue，一旦能從DelayQueue中獲取元素時，表示快取有效期到了。
- 定時任務排程。使用DelayQueue儲存當天將會執行的任務和執行時間，一旦從DelayQueue中獲取到任務就開始執行，從比如TimerQueue就是使用DelayQueue實現的。
佇列中的Delayed必須實現compareTo來指定元素的順序。比如讓延時時間最長的放在佇列的末尾。實現程式碼如下：
public int compareTo(Delayed other) {
if (other == this) // compare zero ONLY if same object
return 0;
if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
ScheduledFutureTask x = (ScheduledFutureTask)other;
long diff = time - x.time;
if (diff < 0)
return -1;
else if (diff > 0)
return 1;
else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)
return -1;
else
return 1;
}
long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -
other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
}
如何實現Delayed介面
我們可以參考ScheduledThreadPoolExecutor裡ScheduledFutureTask類。這個類實現了Delayed介面。首先：在物件建立的時候，使用time記錄前物件什麼時候可以使用，程式碼如下：
ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
super(r, result);
this.time = ns;
this.period = period;
this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}
然後使用getDelay可以查詢當前元素還需要延時多久，程式碼如下：
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
}
通過建構函式可以看出延遲時間引數ns的單位是納秒，自己設計的時候最好使用納秒，因為getDelay時可以指定任意單位，一旦以納秒作為單位，而延時的時間又精確不到納秒就麻煩了。使用時請注意當time小於當前時間時，getDelay會返回負數。
如何實現延時佇列
延時佇列的實現很簡單，當消費者從佇列裡獲取元素時，如果元素沒有達到延時時間，就阻塞當前執行緒。
long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
if (delay <= 0)
return q.poll();
else if (leader != null)
available.await();
SynchronousQueue
SynchronousQueue是一個不儲存元素的阻塞佇列。每一個put操作必須等待一個take操作，否則不能繼續新增元素。SynchronousQueue可以看成是一個傳球手，負責把生產者執行緒處理的資料直接傳遞給消費者執行緒。佇列本身並不儲存任何元素，非常適合於傳遞性場景,比如在一個執行緒中使用的資料，傳遞給另外一個執行緒使用，SynchronousQueue的吞吐量高於LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。
LinkedTransferQueue
LinkedTransferQueue是一個由連結串列結構組成的無界阻塞TransferQueue佇列。相對於其他阻塞佇列LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。
transfer方法。如果當前有消費者正在等待接收元素（消費者使用take()方法或帶時間限制的poll()方法時），transfer方法可以把生產者傳入的元素立刻transfer（傳輸）給消費者。如果沒有消費者在等待接收元素，transfer方法會將元素存放在佇列的tail節點，並等到該元素被消費者消費了才返回。transfer方法的關鍵程式碼如下：
Node pred = tryAppend(s, haveData); return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);
第一行程式碼是試圖把存放當前元素的s節點作為tail節點。第二行程式碼是讓CPU自旋等待消費者消費元素。因為自旋會消耗CPU，所以自旋一定的次數後使用Thread.yield()方法來暫停當前正在執行的執行緒，並執行其他執行緒。
tryTransfer方法。則是用來試探下生產者傳入的元素是否能直接傳給消費者。如果沒有消費者等待接收元素，則返回false。和transfer方法的區別是tryTransfer方法無論消費者是否接收，方法立即返回。而transfer方法是必須等到消費者消費了才返回。
對於帶有時間限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法，則是試圖把生產者傳入的元素直接傳給消費者，但是如果沒有消費者消費該元素則等待指定的時間再返回，如果超時還沒消費元素，則返回false，如果在超時時間內消費了元素，則返回true。
LinkedBlockingDeque
LinkedBlockingDeque是一個由連結串列結構組成的雙向阻塞佇列。所謂雙向佇列指的你可以從佇列的兩端插入和移出元素。雙端佇列因為多了一個操作佇列的入口，在多執行緒同時入隊時，也就減少了一半的競爭。相比其他的阻塞佇列，LinkedBlockingDeque多了addFirst，addLast，offerFirst，offerLast，peekFirst，peekLast等方法，以First單詞結尾的方法，表示插入，獲取（peek）或移除雙端佇列的第一個元素。以Last單詞結尾的方法，表示插入，獲取或移除雙端佇列的最後一個元素。另外插入方法add等同於addLast，移除方法remove等效於removeFirst。但是take方法卻等同於takeFirst，不知道是不是Jdk的bug，使用時還是用帶有First和Last字尾的方法更清楚。在初始化LinkedBlockingDeque時可以初始化佇列的容量，用來防止其再擴容時過渡膨脹。另外雙向阻塞佇列可以運用在“工作竊取”模式中。
3. 阻塞佇列的實現原理
如果佇列是空的，消費者會一直等待，當生產者新增元素時候，消費者是如何知道當前佇列有元素的呢？如果讓你來設計阻塞佇列你會如何設計，讓生產者和消費者能夠高效率的進行通訊呢？讓我們先來看看JDK是如何實現的。
使用通知模式實現。所謂通知模式，就是當生產者往滿的佇列裡新增元素時會阻塞住生產者，當消費者消費了一個佇列中的元素後，會通知生產者當前佇列可用。通過檢視JDK原始碼發現ArrayBlockingQueue使用了Condition來實現，程式碼如下：
private final Condition notFull;
private final Condition notEmpty;
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
//省略其他程式碼
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
insert(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
return extract();
} finally {
lock.unlock();
}
}
private void insert(E x) {
items[putIndex] = x;
putIndex = inc(putIndex);
++count;
notEmpty.signal();
}
當我們往佇列裡插入一個元素時，如果佇列不可用，阻塞生產者主要通過LockSupport.park(this);來實現
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
繼續進入原始碼，發現呼叫setBlocker先儲存下將要阻塞的執行緒，然後呼叫unsafe.park阻塞當前執行緒。
public static void park(Object blocker) {
Thread t = Thread.currentThread();
setBlocker(t, blocker);
unsafe.park(false, 0L);
setBlocker(t, null);
}
unsafe.park是個native方法，程式碼如下：
public native void park(boolean isAbsolute, long time);
park這個方法會阻塞當前執行緒，只有以下四種情況中的一種發生時，該方法才會返回。
- 與park對應的unpark執行或已經執行時。注意：已經執行是指unpark先執行，然後再執行的park。
- 執行緒被中斷時。
- 如果引數中的time不是零，等待了指定的毫秒數時。
- 發生異常現象時。這些異常事先無法確定。
我們繼續看一下JVM是如何實現park方法的，park在不同的作業系統使用不同的方式實現，在linux下是使用的是系統方法pthread_cond_wait實現。實現程式碼在JVM原始碼路徑src/os/linux/vm/os_linux.cpp裡的 os::PlatformEvent::park方法，程式碼如下：
void os::PlatformEvent::park() {
int v ;
for (;;) {
v = _Event ;
if (Atomic::cmpxchg (v-1, &_Event, v) == v) break ;
}
guarantee (v >= 0, "invariant") ;
if (v == 0) {
// Do this the hard way by blocking ...
int status = pthread_mutex_lock(_mutex);
assert_status(status == 0, status, "mutex_lock");
guarantee (_nParked == 0, "invariant") ;
++ _nParked ;
while (_Event < 0) {
status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);
// for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ...
// Treat this the same as if the wait was interrupted
if (status == ETIME) { status = EINTR; }
assert_status(status == 0 || status == EINTR, status, "cond_wait");
}
-- _nParked ;
// In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(),
// but then we'd need a MEMBAR after the ST.
_Event = 0 ;
status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
assert_status(status == 0, status, "mutex_unlock");
}
guarantee (_Event >= 0, "invariant") ;
}
}
pthread_cond_wait是一個多執行緒的條件變數函式，cond是condition的縮寫，字面意思可以理解為執行緒在等待一個條件發生，這個條件是一個全域性變數。這個方法接收兩個引數，一個共享變數_cond，一個互斥量_mutex。而unpark方法在linux下是使用pthread_cond_signal實現的。park 在windows下則是使用WaitForSingleObject實現的。
當佇列滿時，生產者往阻塞佇列裡插入一個元素，生產者執行緒會進入WAITING (parking)狀態。我們可以使用jstack dump阻塞的生產者執行緒看到這點：
"main" prio=5 tid=0x00007fc83c000000 nid=0x10164e000 waiting on condition [0x000000010164d000]
java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
- parking to wait for <0x0000000140559fe8> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject)
at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186)
at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2043)
at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.put(ArrayBlockingQueue.java:324)
at blockingqueue.ArrayBlockingQueueTest.main(ArrayBlockingQueueTest.java:11)
4. 參考資料
