【JavaEE】阻塞队列

A boy CDEF girl2025-03-07 10:55

【JavaEE】阻塞队列

博客结尾有此篇博客的全部的代码！！！

一、什么是阻塞队列？

前面我们学习过队列（Queue）这种数据结构---"先进先出"。
今天学的阻塞队列（BlockingQueue），它继承于Queue接口，是队列的一种。

java 复制代码 
public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E>

Queue和BlockingQueue都是在Java5中加入的，BlockingQueue是线程安全 的的队列，它在队列为空时，获取元素的操作将会被阻塞；在队列满时，存储元素的操作也会被阻塞。

举例说明一下：

盖房子！之前盖房子是请大工和小工，雇人盖房子！

大工：负责刷墙（将打好的灰刷在墙上）。

小工：负责打灰（将石灰和沙子搅拌在一起）。

灰盆：负责放灰的（容量大小有限）。

小工负责将打好的灰放到灰盆中，大工负责将灰盆中的灰刷到墙上。

假如小工打灰很快，他一次性打了很多灰，但是灰盆的容量是有限的，他就要等大工将灰盆中的灰用完，他才能往灰盆中再次加灰；假设大工是个老手，他粉刷很快，一下就将灰盆中的灰用完了，但是小工的下一盆灰没有及时供上，此时大工是不是就需要等待小工打好灰之后，他才能继续工作！这两种情况都是发生了阻塞等待！而灰盆则相当于阻塞队列！

这个例子就应该能帮助大家对阻塞对列有了一定的理解了吧！

二、阻塞队列的特点

  • 线程安全：内部通过锁机制保证线程安全。
  • 阻塞操作：当队列为空时，尝试从队列中获取元素的操作会被阻塞；当队列满时，尝试向队列中添加元素的操作会被阻塞。
  • 容量限制：阻塞队列可以有容量限制，也可以是无界队列。

这里的无界队列并不是意味可以放无限个元素，无界也是有上限的！例如LinkedBlcokingQueue的上限是Integer.MAX_VALUE（-2,147,483,648到 2,147,483,647）。而有界队列就算队列中元素已满，也是不会扩容的。

三、阻塞队列的常用方法

  • 抛出异常：add、remove、element。
  • 返回结果但是不抛出异常：offer、poll、peek。
  • 阻塞：take、put。

3.1 抛出异常

这段代码可以发现，我们将容量设置为10，t1负责add元素，t2负责remove元素，但是t2在最开始会休眠1秒钟，在休眠的时间中，t1肯定add超过10个元素放入queue中。所以这里报错。

add()抛出异常（队列中元素已满，再添加元素，就会报错）：

java 复制代码 
public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(10);
        Thread t1 = new Thread(()->{
            while(true){
                queue.add(1);
            }

        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            while(true){
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    queue.remove();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }

            }
        });
        t1.start();
        t2.start();

    }

remove()抛出异常（对列中没有元素，抛出异常）：

java 复制代码 
public class Demo2 {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Integer> queue2 = new ArrayBlockingQueue<Integer>(10);
        Thread t1 = new Thread(()->{
            while(true){
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    queue2.add(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }

        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            while(true){
                    queue2.remove();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

element()抛出异常（返回队列首元素，但不删除，当队列为空，抛出异常）：

java 复制代码 
public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Integer> queue2 = new ArrayBlockingQueue<Integer>(10);
        Thread t1 = new Thread(()->{
            while(true){
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    queue2.add(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }

            }

        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            while(true){
//                    queue2.remove();
                queue2.element();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }

3.2 有返回结果，不会抛出异常

offer():插入成功true，插入失败false

poll():移除成功，则打印移除元素，没有则null

peek():返回队列元素，但不删除，如果队列为空，则返回null

java 复制代码 
public class Demo4 {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Integer> queue4 = new ArrayBlockingQueue<Integer>(1);
        Thread t1 = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 2; i++) {
                System.out.println(queue4.offer(1));
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println(queue4.poll());
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

3.3 阻塞

java 复制代码 
public class Demo5 {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Integer> queue5 = new ArrayBlockingQueue<Integer>(10);
        Thread t1 = new Thread(()->{
            while(true){
                try {
                    queue5.put(1);
                    System.out.println("生产者生产元素"+queue5.size());
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            while(true){
                try {
                    queue5.take();
                    System.out.println("消费者消耗元素"+queue5.size());
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

由于容量是10，所以生产者生产的元素就是10 以内的。

java 复制代码 
public class Demo6 {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Integer> queue6 = new ArrayBlockingQueue<Integer>(10);
        Thread t1 = new Thread(()->{
            while(true){
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    queue6.put(1);
                    System.out.println("生产者生产元素"+queue6.size());
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            while(true){
                try {
                    queue6.take();
                    System.out.println("消费者消耗元素"+queue6.size());
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

这里对生产者加了休眠，所以消费者会出现阻塞等待，等待生产者生产元素。

四、常见的阻塞队列

4.1 ArrayBlockingQueue

  • 基于数组实现的有界阻塞队列。
  • 具有固定的容量，初始化时必须指定容量大小。
  • 适合容量固定且需要高性能的场景。

4.2 LinkedBlockingQueue

  • 基于链表实现的可选界阻塞队列。
  • 默认为无界队列（实际是有限制的，最大容量为Integer.MAX_VALUE），也可以指定容量。
  • 性能通常比ArrayBlockingQueue更好，尤其是在高并发场景下。

4.3 SynchronousQueue

  • 特殊的阻塞队列，不存储元素。
  • 生产者线程必须等待消费者线程取走元素后才能继续生产。
  • 适合直接传递数据的场景，常用于线程池中的任务传递。
java 复制代码 
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;

public class Demo7 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockingQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>();
        new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println(queue.take()); // 消费者线程
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        Thread.sleep(5000);
        queue.put(1); // 生产者线程
    }
}

4.4 PriorityBlockingQueue

  • 基于优先级的无界阻塞队列。
  • 元素按照自然顺序或指定的比较器排序。
  • 不保证线程安全的公平性，但保证优先级最高的元素总是最先被取出。
java 复制代码 
public class Demo8 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            BlockingQueue<Integer> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
            queue.put(3);
            queue.put(1);
            queue.put(2);
            System.out.println(queue.take()); // 输出1
        }
    }

优先级确定方式：

  1. 自然排序（Comparable 接口）：例如这里是从小到大，所以输出是1
  2. 自定义比较器（Comparator）

4.5 DelayQueue

  • 基于优先级的无界阻塞队列。
  • 只有当元素的延迟时间到期后，才能被取出。
  • 元素必须实现Delayed接口。
java 复制代码 
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

class DelayedTask implements Delayed {
    private final long startTime;
    private final String name;

    public DelayedTask(long startTime, String name) {
        this.startTime = startTime;
        this.name = name;
    }

    @Override
    public long getDelay(TimeUnit unit) {
        return unit.convert(startTime - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
    }

    @Override
    public int compareTo(Delayed o) {
        return Long.compare(this.startTime, ((DelayedTask) o).startTime);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return name;
    }
}

public class DelayQueueExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockingQueue<Delayed> queue = new DelayQueue<>();
        queue.put(new DelayedTask(System.currentTimeMillis() + 2000, "Task1"));
        queue.put(new DelayedTask(System.currentTimeMillis() + 1000, "Task2"));

        System.out.println(queue.take()); // 输出Task2
    }
}

五、自己实现阻塞队列

5.1 成员变量

java 复制代码 
    private int capacity = 0xffff;
    private Integer[] elem ;//存储数组
    private int size;//存储元素个数
    private int head;//队头
    private int tail;//队尾

5.2 构造方法

当你传入值的时候，capacity就是你传入的那个值，就不是默认值了。

java 复制代码 
 public MyQueue() {
        elem = new Integer[capacity];
    }
    public MyQueue(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        elem = new Integer[capacity];
    }

5.3 put()方法

由于这里的put（）方法涉及元素的添加，所以将这段代码放入锁中，避免了原子性带来的线程安全问题。

这里使用while不使用if，为了防止wait（）被虚假唤醒，如果被虚假唤醒if就会执行后面的代码，而while还是会再检查一遍

举个例子：

  • 线程A此时元素个数已满
  • 线程B此时移除线程A元素，并且激活wait ()
  • 线程C在此时又往线程A中添加元素，使线程A元素又达到已满状态，但此时代码会继续向下执行
java 复制代码 
public void put(int key) throws InterruptedException {
        synchronized (this) {
            while (size == elem.length) {
                this.wait();
            }
            elem[tail] = key;
            tail = (tail + 1) % capacity;
            size++;
            this.notify();
        }
    }

5.4 take()方法

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

5.5 全部代码

java 复制代码 
class MyQueue {
    private int capacity = 0xffff;
    private Integer[] 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 MyQueue() {
        elem = new Integer[capacity];
    }
    public MyQueue(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        elem = new Integer[capacity];
    }

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

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


public class Demo9 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyQueue myQueue = new MyQueue(5);
        myQueue.put(1);
        myQueue.put(2);
        myQueue.put(3);
        myQueue.put(4);
        while(true) {
            System.out.println(myQueue.take());
        }
    }
}

六、阻塞队列的优点

  1. 降低解耦合

假设代码1和代码2之间直接进行交互，这个时候修改代码1，代码2大概率就会受到影响，但是中间加个阻塞队列当作交互平台的话，就大大降低了代码1和代码2之间的耦合性。

  1. 削峰削谷

假设两个服务器进行交互请求，服务器1消耗资源少，产生请求量高，服务器2消耗资源大，接受请求量低。当正常进行交互的时候，服务器1的大量请求就会发送给服务器2，此时服务器2由于处理不了大量请求，有可能就会挂掉！

当加入阻塞队列后，服务器1的请求就会先放到阻塞队列中，服务器2就会根据自己的能力，需要接受多少请求就拿多少请求。

此篇博客的全部代码！！！

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