【数据结构-队列】阻塞队列

檀越剑指大厂2023-09-11 21:00

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博客目录

一.阻塞队列简介

1.什么是阻塞队列

阻塞队列（Blocking Queue）是一种常见的线程同步工具，通常用于多线程编程中，用于在生产者和消费者之间安全地传递数据。阻塞队列的主要特点是当队列为空时，消费者会被阻塞直到有数据可用；当队列已满时，生产者会被阻塞直到有足够的空间来存储数据。这种行为确保了线程之间的协同和数据的安全传递。

2.阻塞队列常用的方法

阻塞队列通常提供以下基本操作：

  1. put()：用于将数据放入队列，如果队列已满，它将阻塞等待直到有空间可用。

  2. take()：用于从队列中取出数据，如果队列为空，它将阻塞等待直到有数据可用。

  3. offer()：与put()类似，用于将数据放入队列，但不会阻塞线程，如果队列已满，它会返回 false。

  4. poll()：与take()类似，用于从队列中取出数据，但不会阻塞线程，如果队列为空，它会返回 null 或指定的默认值。

阻塞队列的使用场景包括线程池、任务调度、生产者-消费者问题等。通过使用阻塞队列，可以有效地管理多线程之间的数据交换，避免了手动编写复杂的同步机制，提高了多线程编程的可维护性和可靠性。在 Java 中，java.util.concurrent包提供了一些常见的阻塞队列实现，如ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue等。其他编程语言和平台也提供了类似的实现或库。

3.等待问题

之前的队列在很多场景下都不能很好地工作，例如

  1. 大部分场景要求分离向队列放入（生产者）、从队列拿出（消费者）两个角色、它们得由不同的线程来担当，而之前的实现根本没有考虑线程安全问题
  2. 队列为空，那么在之前的实现里会返回 null，如果就是硬要拿到一个元素呢？只能不断循环尝试
  3. 队列为满，那么再之前的实现里会返回 false，如果就是硬要塞入一个元素呢？只能不断循环尝试

因此我们需要解决的问题有

  1. 用锁保证线程安全
  2. 用条件变量让等待非空线程 与等待不满线程 进入等待状态，而不是不断循环尝试，让 CPU 空转

有同学对线程安全还没有足够的认识，下面举一个反例，两个线程都要执行入队操作（几乎在同一时刻）

java 复制代码 
public class TestThreadUnsafe {
    private final String[] array = new String[10];
    private int tail = 0;

    public void offer(String e) {
        array[tail] = e;
        tail++;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return Arrays.toString(array);
    }

    public static void main(String[] args) {
        TestThreadUnsafe queue = new TestThreadUnsafe();
        new Thread(()-> queue.offer("e1"), "t1").start();
        new Thread(()-> queue.offer("e2"), "t2").start();
    }
}

执行的时间序列如下，假设初始状态 tail = 0，在执行过程中由于 CPU 在两个线程之间切换，造成了指令交错

线程 1 线程 2 说明
arraytail=e1 线程 1 向 tail 位置加入 e1 这个元素，但还没来得及执行 tail++
arraytail=e2 线程 2 向 tail 位置加入 e2 这个元素，覆盖掉了 e1
tail++ tail 自增为 1
tail++ tail 自增为 2
最后状态 tail 为 2，数组为 e2, null, null ...

糟糕的是，由于指令交错的顺序不同，得到的结果不止以上一种，宏观上造成混乱的效果

二.实现方式

1.单锁实现

Java 中要防止代码段交错执行，需要使用锁，有两种选择

  • synchronized 代码块，属于关键字级别提供锁保护，功能少
  • ReentrantLock 类，功能丰富

以 ReentrantLock 为例

java 复制代码 
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void offer(String e) {
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        array[tail] = e;
        tail++;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

只要两个线程执行上段代码时，锁对象是同一个，就能保证 try 块内的代码的执行不会出现指令交错现象，即执行顺序只可能是下面两种情况之一

线程 1 线程 2 说明
lock.lockInterruptibly() t1 对锁对象上锁
arraytail=e1
lock.lockInterruptibly() 即使 CPU 切换到线程 2，但由于 t1 已经对该对象上锁，因此线程 2 卡在这儿进不去
tail++ 切换回线程 1 执行后续代码
lock.unlock() 线程 1 解锁
arraytail=e2 线程 2 此时才能获得锁，执行它的代码
tail++
  • 另一种情况是线程 2 先获得锁，线程 1 被挡在外面
  • 要明白保护的本质，本例中是保护的是 tail 位置读写的安全

事情还没有完，上面的例子是队列还没有放满的情况，考虑下面的代码（这回锁同时保护了 tail 和 size 的读写安全）

java 复制代码 
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
int size = 0;

public void offer(String e) {
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        if(isFull()) {
            // 满了怎么办?
        }
        array[tail] = e;
        tail++;

        size++;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

private boolean isFull() {
    return size == array.length;
}

之前是返回 false 表示添加失败，前面分析过想达到这么一种效果：

  • 在队列满时，不是立刻返回，而是当前线程进入等待
  • 什么时候队列不满了，再唤醒这个等待的线程，从上次的代码处继续向下运行

ReentrantLock 可以配合条件变量来实现，代码进化为

java 复制代码 
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition tailWaits = lock.newCondition(); // 条件变量
int size = 0;

public void offer(String e) {
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (isFull()) {
            tailWaits.await();	// 当队列满时, 当前线程进入 tailWaits 等待
        }
        array[tail] = e;
        tail++;

        size++;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

private boolean isFull() {
    return size == array.length;
}
  • 条件变量底层也是个队列，用来存储这些需要等待的线程，当队列满了，就会将 offer 线程加入条件队列，并暂时释放锁
  • 将来我们的队列如果不满了（由 poll 线程那边得知）可以调用 tailWaits.signal() 来唤醒 tailWaits 中首个等待的线程，被唤醒的线程会再次抢到锁，从上次 await 处继续向下运行

思考为何要用 while 而不是 if，设队列容量是 3

操作前 offer(4) offer(5) poll() 操作后
1 2 3 队列满，进入 tailWaits 等待 1 2 3
1 2 3 取走 1，队列不满，唤醒线程 2 3
2 3 抢先获得锁，发现不满，放入 5 2 3 5
2 3 5 从上次等待处直接向下执行 2 3 5 ?

关键点：

  • 从 tailWaits 中唤醒的线程，会与新来的 offer 的线程争抢锁，谁能抢到是不一定的，如果后者先抢到，就会导致条件又发生变化
  • 这种情况称之为虚假唤醒，唤醒后应该重新检查条件，看是不是得重新进入等待

最后的实现代码

java 复制代码 
/**
 * 单锁实现
 * @param <E> 元素类型
 */
public class BlockingQueue1<E> implements BlockingQueue<E> {
    private final E[] array;
    private int head = 0;
    private int tail = 0;
    private int size = 0; // 元素个数

    @SuppressWarnings("all")
    public BlockingQueue1(int capacity) {
        array = (E[]) new Object[capacity];
    }

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Condition tailWaits = lock.newCondition();
    Condition headWaits = lock.newCondition();

    @Override
    public void offer(E e) throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (isFull()) {
                tailWaits.await();
            }
            array[tail] = e;
            if (++tail == array.length) {
                tail = 0;
            }
            size++;
            headWaits.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    @Override
    public void offer(E e, long timeout) throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            long t = TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeout);
            while (isFull()) {
                if (t <= 0) {
                    return;
                }
                t = tailWaits.awaitNanos(t);
            }
            array[tail] = e;
            if (++tail == array.length) {
                tail = 0;
            }
            size++;
            headWaits.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    @Override
    public E poll() throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (isEmpty()) {
                headWaits.await();
            }
            E e = array[head];
            array[head] = null; // help GC
            if (++head == array.length) {
                head = 0;
            }
            size--;
            tailWaits.signal();
            return e;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    private boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    private boolean isFull() {
        return size == array.length;
    }
}
  • public void offer(E e, long timeout) throws InterruptedException 是带超时的版本，可以只等待一段时间，而不是永久等下去，类似的 poll 也可以做带超时的版本，这个留给大家了

注意

  • JDK 中 BlockingQueue 接口的方法命名与我的示例有些差异
    • 方法 offer(E e) 是非阻塞的实现，阻塞实现方法为 put(E e)
    • 方法 poll() 是非阻塞的实现，阻塞实现方法为 take()

2.双锁实现

单锁的缺点在于：

  • 生产和消费几乎是不冲突的，唯一冲突的是生产者和消费者它们有可能同时修改 size
  • 冲突的主要是生产者之间：多个 offer 线程修改 tail
  • 冲突的还有消费者之间：多个 poll 线程修改 head

如果希望进一步提高性能，可以用两把锁

  • 一把锁保护 tail
  • 另一把锁保护 head
java 复制代码 
ReentrantLock headLock = new ReentrantLock();  // 保护 head 的锁
Condition headWaits = headLock.newCondition(); // 队列空时，需要等待的线程集合

ReentrantLock tailLock = new ReentrantLock();  // 保护 tail 的锁
Condition tailWaits = tailLock.newCondition(); // 队列满时，需要等待的线程集合

先看看 offer 方法的初步实现

java 复制代码 
@Override
public void offer(E e) throws InterruptedException {
    tailLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 队列满等待
        while (isFull()) {
            tailWaits.await();
        }

        // 不满则入队
        array[tail] = e;
        if (++tail == array.length) {
            tail = 0;
        }

        // 修改 size （有问题）
        size++;

    } finally {
        tailLock.unlock();
    }
}

上面代码的缺点是 size 并不受 tailLock 保护，tailLock 与 headLock 是两把不同的锁，并不能实现互斥的效果。因此，size 需要用下面的代码保证原子性

java 复制代码 
AtomicInteger size = new AtomicInteger(0);	   // 保护 size 的原子变量

size.getAndIncrement(); // 自增
size.getAndDecrement(); // 自减

代码修改为

java 复制代码 
@Override
public void offer(E e) throws InterruptedException {
    tailLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 队列满等待
        while (isFull()) {
            tailWaits.await();
        }

        // 不满则入队
        array[tail] = e;
        if (++tail == array.length) {
            tail = 0;
        }

        // 修改 size
        size.getAndIncrement();

    } finally {
        tailLock.unlock();
    }
}

对称地，可以写出 poll 方法

java 复制代码 
@Override
public E poll() throws InterruptedException {
    E e;
    headLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 队列空等待
        while (isEmpty()) {
            headWaits.await();
        }

        // 不空则出队
        e = array[head];
        if (++head == array.length) {
            head = 0;
        }

        // 修改 size
        size.getAndDecrement();

    } finally {
        headLock.unlock();
    }
    return e;
}

下面来看一个难题，就是如何通知 headWaits 和 tailWaits 中等待的线程，比如 poll 方法拿走一个元素，通知 tailWaits：我拿走一个，不满了噢，你们可以放了，因此代码改为

java 复制代码 
@Override
public E poll() throws InterruptedException {
    E e;
    headLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 队列空等待
        while (isEmpty()) {
            headWaits.await();
        }

        // 不空则出队
        e = array[head];
        if (++head == array.length) {
            head = 0;
        }

        // 修改 size
        size.getAndDecrement();

        // 通知 tailWaits 不满（有问题）
        tailWaits.signal();

    } finally {
        headLock.unlock();
    }
    return e;
}

问题在于要使用这些条件变量的 await()， signal() 等方法需要先获得与之关联的锁，上面的代码若直接运行会出现以下错误

java 复制代码 
java.lang.IllegalMonitorStateException

那有同学说，加上锁不就行了吗，于是写出了下面的代码

发现什么问题了？两把锁这么嵌套使用，非常容易出现死锁，如下所示

因此得避免嵌套，两段加锁的代码变成了下面平级的样子

性能还可以进一步提升

  1. 代码调整后 offer 并没有同时获取 tailLock 和 headLock 两把锁，因此两次加锁之间会有空隙，这个空隙内可能有其它的 offer 线程添加了更多的元素，那么这些线程都要执行 signal()，通知 poll 线程队列非空吗？

    • 每次调用 signal() 都需要这些 offer 线程先获得 headLock 锁，成本较高，要想法减少 offer 线程获得 headLock 锁的次数
    • 可以加一个条件：当 offer 增加前队列为空，即从 0 变化到不空，才由此 offer 线程来通知 headWaits，其它情况不归它管

  2. 队列从 0 变化到不空，会唤醒一个等待的 poll 线程，这个线程被唤醒后，肯定能拿到 headLock 锁，因此它具备了唤醒 headWaits 上其它 poll 线程的先决条件。如果检查出此时有其它 offer 线程新增了元素（不空，但不是从 0 变化而来），那么不妨由此 poll 线程来唤醒其它 poll 线程

这个技巧被称之为级联通知（cascading notifies），类似的原因

  1. 在 poll 时队列从满变化到不满，才由此 poll 线程来唤醒一个等待的 offer 线程，目的也是为了减少 poll 线程对 tailLock 上锁次数，剩下等待的 offer 线程由这个 offer 线程间接唤醒

最终的代码为

java 复制代码 
public class BlockingQueue2<E> implements BlockingQueue<E> {

    private final E[] array;
    private int head = 0;
    private int tail = 0;
    private final AtomicInteger size = new AtomicInteger(0);
    ReentrantLock headLock = new ReentrantLock();
    Condition headWaits = headLock.newCondition();
    ReentrantLock tailLock = new ReentrantLock();
    Condition tailWaits = tailLock.newCondition();

    public BlockingQueue2(int capacity) {
        this.array = (E[]) new Object[capacity];
    }

    @Override
    public void offer(E e) throws InterruptedException {
        int c;
        tailLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (isFull()) {
                tailWaits.await();
            }
            array[tail] = e;
            if (++tail == array.length) {
                tail = 0;
            }
            c = size.getAndIncrement();
            // a. 队列不满, 但不是从满->不满, 由此offer线程唤醒其它offer线程
            if (c + 1 < array.length) {
                tailWaits.signal();
            }
        } finally {
            tailLock.unlock();
        }
        // b. 从0->不空, 由此offer线程唤醒等待的poll线程
        if (c == 0) {
            headLock.lock();
            try {
                headWaits.signal();
            } finally {
                headLock.unlock();
            }
        }
    }

    @Override
    public E poll() throws InterruptedException {
        E e;
        int c;
        headLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (isEmpty()) {
                headWaits.await();
            }
            e = array[head];
            if (++head == array.length) {
                head = 0;
            }
            c = size.getAndDecrement();
            // b. 队列不空, 但不是从0变化到不空，由此poll线程通知其它poll线程
            if (c > 1) {
                headWaits.signal();
            }
        } finally {
            headLock.unlock();
        }
        // a. 从满->不满, 由此poll线程唤醒等待的offer线程
        if (c == array.length) {
            tailLock.lock();
            try {
                tailWaits.signal();
            } finally {
                tailLock.unlock();
            }
        }
        return e;
    }

    private boolean isEmpty() {
        return size.get() == 0;
    }

    private boolean isFull() {
        return size.get() == array.length;
    }

}

双锁实现的非常精巧，据说作者 Doug Lea 花了一年的时间才完善了此段代码

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❤️❤️❤️本人水平有限，如有纰漏，欢迎各位大佬评论批评指正！😄😄😄

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