以“轮盘数组”思维彻底搞懂并实现阻塞队列

要想学习并实现阻塞队列，这里我们要先搞懂什么是生产者-消费者模型

生产者-消费者模型：

在计算机科学中，生产者-消费者模型是一种经典的多线程/多进程同步问题 。它描述了一组生产者线程和一组消费者线程，它们通过一个**共享的、固定大小的缓冲区（通常是 FIFO 队列）**进行通信和协作

在这个模型中，有三个核心组成部分和三种关键关系：

生产者（Producer）：生成数据或任务，并将其放入共享缓冲区。如果缓冲区满了，它必须等待，直到缓冲区中有空位出现
消费者（Consumer）：从缓冲区中取出数据并进行处理。如果缓冲区空了，它必须等待，直到缓冲区中有任务存在
缓冲区（Buffer）：作为中间的通信通道，屏蔽了生产者和消费者的细节。对它的操作必须是线程安全的

具体了解缓冲区是什么，有什么用：

生产者生产任务，消费者负责消耗任务，这很好理解，那么什么是缓冲区呢？我想以一个简单的例子为例：

我们可以将这个模型结合"三峡大坝"来看，来看看缓冲区的作用是什么

我们先介绍三峡大坝体系中的生产者与消费者：

·生产者： 在长江上游，江水（数据/任务）时而汹涌澎湃，时而平缓流淌，这就像我们的**生产者线程，**是不稳定的

·消费者： 而在大坝下游，发电机组需要以恒定的速度转动发电，这就像我们的消费者线程，处理能力往往是有限且固定的

想要知道缓冲区（也就是大坝）的作用是什么，我们可以观察若没有缓冲区存在会出现什么情况：

洪水期（生产过快）： 下游的发电机根本来不及处理巨大的水量，如果不加控制，下游就会发生洪涝灾害（内存溢出或系统崩溃）
枯水期（生产过慢）： 上游没水下来，发电机只能空转甚至停机等待（线程频繁阻塞唤醒，浪费 CPU 资源）

而缓冲区（阻塞队列），就是这座调节水位的"大坝水库"

它作为一个缓冲区，完美地解决了上下游速率不匹配的问题：

削峰： 当上游来水太急时，先把水蓄在水库里（入队），等下游慢慢处理。
填谷： 当上游没水时，释放库存的水让下游继续发电（出队），保证系统平稳运行。

这种机制不仅保护了下游的消费者不被冲垮，还实现了生产者和消费者的解耦------他们不需要知道对方的存在，只需要对着大坝操作即可。

那么，Java 是如何在底层实现这样一个精密的"数字大坝"的呢？其实，它的核心构造往往依赖于一种特殊的数组结构。这就不得不提我们之前深入探讨过的 轮盘数组，它是构建高效环形缓冲区的基石......

阻塞队列是一个以轮盘数组为骨架，以锁为灵魂的工具，接下来我们带着轮盘数组的思想来实现一个阻塞队列。

一、基础成员和构造方法

首先，我们实现基础成员和构造方法，我们以String类型为例

复制代码

class MyBlockingQueue {

    private String data[] = null;

    public MyBlockingQueue(int n) {
        this.data = new String[n];
    }

    private int size = 0;

    private int head;

    private int last;
}

由于接下来的put和take方法都会涉及到改，而改则会在多线程环境下产生线程安全问题，所以我们一定要记得加锁，这里我们以this作为锁

二、put（String elem）

复制代码

public void put(String elem) throws InterruptedException {
   //修改数组操作，多线程情况下必须加锁
    synchronized (this){
        while(size== data.length){
            this.wait();
        }
        data[last] = elem;
        size++;
        last = (last+1)%data.length;
        this.notify();
    }
}

三、take（）

复制代码

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

⭐为什么我们不写成if而是要写成while循环判断队列的具体情况？

这里就要讲到为什么 wait（）等待一定要配合while循环使用了：

·我们的wait等待不是一定只能有notify唤醒，还可能被Interrupt这样的方法给中断，如果使用if作为wait的判定条件，此时就存在wait被提前唤醒的风险，导致队列明明是（空/满），但我们还是执行了（put/take）方法，这会导致一些安全问题

⭐为了进一步解释为什么wait要配合while循环使用，接下来我将介绍一种极端情况：

我们有一个大小为3的阻塞队列，此时队列里已经有3个元素了，但此时有三个线程（t1，t2，t3）都调用了put方法，那么这三个线程一定都会阻塞，如果此时我们take（）出了一个元素，那么take方法中的notify会随机唤醒一个正在因调用put方法且队列为满而阻塞的线程，我们设这个线程为t1，t1又put进一个元素，那么此时队列又为满了，但是t1调用的put方法中也有一个notify，那么这个notify很可能会去随机唤醒23线程中的随机一个，如果put方法中的while循环此时为if，那么就会唤醒if语句里的wait，线程继续往下执行，但别忘了，此时队列是满的，塞不进了，所以往下执行势必会产生一些安全问题

这样我们就成功实现了一个阻塞队列