java 常用并发队列- ArrayBlockingQueue

2024-09-04 10:12

本文主要是介绍java 常用并发队列- ArrayBlockingQueue,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

1. ArrayBlockingQueue 概述

ArrayBlockingQueue 是一个线程安全的、基于数组的有界阻塞队列。它在初始化时需要指定队列的容量,一旦创建,容量就不能改变。它的实现采用了 条件变量 来控制并发访问,并提供了线程间的安全通信机制。

1.1 特性

  • 有界队列ArrayBlockingQueue 是一个固定大小的队列。队列的容量在创建时设定,不能动态调整。
  • 阻塞操作put()take() 方法在插入或删除操作受限时(如队列已满或为空)会阻塞调用线程,直到可以继续操作。
  • 线程安全:使用内部锁和条件变量(Condition)来确保线程安全。所有对队列的操作(如插入、删除)都需要获取锁,确保操作的原子性。
  • FIFO 顺序:队列中的元素按照先进先出(FIFO)的顺序进行排序。

1.2 使用场景

ArrayBlockingQueue 非常适合以下场景:

  • 生产者-消费者模型:在多线程环境下,生产者线程不断将元素插入队列,消费者线程从队列中取出元素进行处理。ArrayBlockingQueue 在生产者和消费者之间充当缓冲区,防止生产者生产过快或消费者消费过快。
  • 任务调度:在线程池或任务调度系统中,用于管理任务队列,确保任务按顺序处理。
  • 资源管理:在资源受限的环境中,可以使用 ArrayBlockingQueue 来管理资源的分配和释放。

2. ArrayBlockingQueue 的内部实现

ArrayBlockingQueue 的内部实现基于数组结构,通过 显式锁(ReentrantLock)条件变量(Condition) 来控制并发访问和阻塞操作。以下是其关键的实现细节:

2.1 底层数据结构

ArrayBlockingQueue 使用一个数组 Object[] items 来存储队列元素,同时维护了几个指针来标识队列的状态:

  • takeIndex:指向下一个要被取出的元素的位置。
  • putIndex:指向下一个要插入元素的位置。
  • count:当前队列中的元素数量。

此外,ArrayBlockingQueue 使用了一个 ReentrantLock 对象来实现线程同步,并通过两个条件变量 notEmptynotFull 来控制队列的空满状态:

final Object[] items;
int takeIndex;
int putIndex;
int count;
final ReentrantLock lock;
private final Condition notEmpty;
private final Condition notFull;

2.2 插入操作 (put()offer())

插入操作向队列尾部添加元素。如果队列已满,put() 方法会阻塞,直到有空间可以插入新元素;offer() 方法则是非阻塞的,如果队列已满,直接返回 false

以下是 put() 方法的实现:

public void put(E e) throws InterruptedException {checkNotNull(e);final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lockInterruptibly();try {while (count == items.length)notFull.await();  // 阻塞等待,直到有空间可插入enqueue(e);} finally {lock.unlock();}
}
  • lock.lockInterruptibly():获取锁并且可以响应中断。
  • notFull.await():如果队列已满,当前线程进入等待状态,直到有空间可插入新元素。
  • enqueue(e):将元素插入到队列尾部,并更新 putIndexcount

2.3 删除操作 (take()poll())

删除操作从队列头部移除元素。如果队列为空,take() 方法会阻塞,直到有可用元素;poll() 方法是非阻塞的,如果队列为空,直接返回 null

以下是 take() 方法的实现:

public E take() throws InterruptedException {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lockInterruptibly();try {while (count == 0)notEmpty.await();  // 阻塞等待,直到有可取元素return dequeue();} finally {lock.unlock();}
}
  • notEmpty.await():如果队列为空,当前线程进入等待状态,直到有元素可以取出。
  • dequeue():移除队列头部的元素,并更新 takeIndexcount

2.4 队列中的条件变量(Condition Variables)

ArrayBlockingQueue 使用两个条件变量 notEmptynotFull 来协调生产者和消费者线程:

  • notFull:当队列已满时,生产者线程调用 put() 方法会阻塞在 notFull.await() 处。只有当队列有空间时,调用 notFull.signal() 唤醒等待线程。
  • notEmpty:当队列为空时,消费者线程调用 take() 方法会阻塞在 notEmpty.await() 处。只有当队列中有元素时,调用 notEmpty.signal() 唤醒等待线程。

3. ArrayBlockingQueue 的使用示例

以下是一个典型的 ArrayBlockingQueue 使用示例,演示了生产者-消费者模型的应用:

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;public class ProducerConsumerExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个容量为 5 的 ArrayBlockingQueueArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(5);// 生产者线程Thread producer = new Thread(() -> {try {for (int i = 0; i < 10; i++) {System.out.println("Producing: " + i);queue.put(i);  // 阻塞插入Thread.sleep(100);}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}});// 消费者线程Thread consumer = new Thread(() -> {try {for (int i = 0; i < 10; i++) {Integer value = queue.take();  // 阻塞移除System.out.println("Consuming: " + value);Thread.sleep(150);}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}});// 启动线程producer.start();consumer.start();}
}

在这个示例中,生产者线程将整数插入到队列中,消费者线程从队列中取出整数。ArrayBlockingQueue 确保了生产者和消费者线程之间的安全通信和同步。

4. ArrayBlockingQueue 的优缺点

4.1 优点

  • 线程安全:通过显式锁和条件变量来确保并发操作的线程安全性。
  • 高效的阻塞机制:支持阻塞的插入和删除操作,适用于生产者-消费者模型。
  • 固定容量控制:通过指定容量来防止资源耗尽,适合需要限制队列大小的场景。

4.2 缺点

  • 固定容量:容量在初始化时设定,不能动态调整,不适合需要动态扩展的场景。
  • 锁竞争:在高并发环境下,多个线程竞争锁可能会导致性能下降。
  • 非公平性:默认情况下,ArrayBlockingQueue 采用非公平锁策略,可能会导致线程饥饿问题。

5. 与其他阻塞队列的对比

  • LinkedBlockingQueue:基于链表的阻塞队列,可以选择无界或有界,适合需要较大队列容量或不确定容量的场景。相比之下,ArrayBlockingQueue 使用固定容量数组,内存利用率更高,适合容量已知的场景。
  • PriorityBlockingQueue:基于优先级的无界阻塞队列,适合需要按优先级处理任务的场景。ArrayBlockingQueue 则是基于 FIFO 顺序的固定容量队列。

6. 总结

ArrayBlockingQueue 是 Java 并发编程中一种常用的有界阻塞队列,适合生产者-消费者模型及需要在多个线程之间安全地共享数据的场景。通过显式锁和条件变量,ArrayBlockingQueue 提供了简单而有效的线程间通信机制。尽管它有容量限制和可能的锁竞争问题,但在需要固定容量控制和阻塞操作的场景中,ArrayBlockingQueue 是一个非常实用的选择。
ArrayBlockingQueue 是 Java 中常用的并发队列之一,属于阻塞队列的范畴。它是一个 基于数组的有界阻塞队列,实现了 BlockingQueue 接口。ArrayBlockingQueue 在多线程环境中能够有效地管理线程之间的数据传递与任务协调,广泛应用于生产者-消费者模型和各种需要在多个线程之间进行安全数据共享的场景中。

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