【面試專欄】阻塞隊(duì)列

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阻塞隊(duì)列

ArrayBlockingQueue 是一個(gè)基于數(shù)組的有界阻塞隊(duì)列，此隊(duì)列基按FIFO原則對(duì)元素進(jìn)行排序

LinkedBlockQueue:一個(gè)基于鏈表結(jié)構(gòu)的阻塞隊(duì)列，次隊(duì)列按FIFO排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue

SynchromousQueue:一個(gè)不存儲(chǔ)元素的阻塞隊(duì)列，每個(gè)插入操作必須等到另一個(gè)線程調(diào)用移除操作，否則插入操作一直處于阻塞狀態(tài)，吞吐量通常要高于LinkedBlockQueue

阻塞隊(duì)列：首先它是一個(gè)隊(duì)列，而一個(gè)阻塞隊(duì)列在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中所其的作用大致如圖

在這里插入圖片描述

當(dāng)阻塞隊(duì)列是空時(shí)，從隊(duì)列中獲取元素的操作將會(huì)被阻塞

當(dāng)阻塞隊(duì)列是滿時(shí)，往隊(duì)列中添加元素的操作將會(huì)被阻塞

試圖從空的阻塞隊(duì)列中獲取元素的線程將會(huì)被阻塞，直到其他的線程王空的隊(duì)列中插入新的元素。

試圖往滿的阻塞隊(duì)列中添加新元素的線程通用也會(huì)被阻塞，直到其他的線程從隊(duì)列中移除一個(gè)或者多個(gè)元素或者完全清空隊(duì)列后使隊(duì)列重新變得空閑起來并后續(xù)新增。

為什么用 好處是什么？

在多線程領(lǐng)域中：所謂阻塞，在某些情況下會(huì)掛起線程（即阻塞），一旦條件滿足，被掛起的線程又會(huì)自動(dòng)被喚醒。

為什么需要BlockingQueue?

好處是我們不需要關(guān)系什么時(shí)候需要阻塞線程，什么時(shí)候需要喚醒線程，因?yàn)檫@一切BlockingQueue都實(shí)現(xiàn)了。

在concurrent包發(fā)布之前，在多線程環(huán)境下，我們每個(gè)線程都必須自己去控制這些細(xì)節(jié)，尤其還要兼顧效率和線程安全，而這會(huì)給我們的程序帶來不少的復(fù)雜度。

BlockingQueue種類

  1. ArrayBlockingQueue:由數(shù)組結(jié)果組成的有界阻塞隊(duì)列
  2. LinkedBlockingQueue:由鏈表結(jié)構(gòu)組成的有界阻塞隊(duì)列，默認(rèn)大小為Integer.MAX_VALUE
  3. PriorityBlockingQueue :支持優(yōu)先級(jí)排序的無界阻塞隊(duì)列
  4. DelayQueue: 使用優(yōu)先級(jí)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的延遲無界阻塞隊(duì)列
  5. SynchronousQueue:不存儲(chǔ)元素的阻塞隊(duì)列，也就是單個(gè)元素的隊(duì)列
  6. LinkedTransferQueue:由鏈表結(jié)構(gòu)組成的無界阻塞隊(duì)列
  7. LinkedBlockingQueue:由鏈表結(jié)構(gòu)組成的雙向阻塞隊(duì)列

阻塞隊(duì)列的核心方法

在這里插入圖片描述
  • 拋出異常：當(dāng)阻塞隊(duì)列滿時(shí)，再往隊(duì)列里add插入元素會(huì)拋出java.lang.IllegalStateException: Queue full
    當(dāng)阻塞隊(duì)列空時(shí)，再?gòu)年?duì)列里remove移除元素會(huì)拋NoSuchElementException
public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
        System.out.println(blockingQueue.add("a"));
        System.out.println(blockingQueue.add("b"));
        System.out.println(blockingQueue.add("c"));
        System.out.println(blockingQueue.element());
        //java.lang.IllegalStateException: Queue full
        //System.out.println(blockingQueue.add("d"));
        System.out.println(blockingQueue.remove());
        System.out.println(blockingQueue.remove());
        System.out.println(blockingQueue.remove());
        //java.util.NoSuchElementException
        //System.out.println(blockingQueue.remove());
    }
  • 特殊值：插入方法，成功true失敗false
    移除方法，成功返回出隊(duì)列的元素，隊(duì)列里面沒有就返回null
  public static void main(String[] args) {
       BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
       System.out.println(blockingQueue.offer("a"));
       System.out.println(blockingQueue.offer("b"));
       System.out.println(blockingQueue.offer("c"));
       //false
       System.out.println(blockingQueue.offer("d"));
       System.out.println(blockingQueue.peek());
       System.out.println(blockingQueue.poll());
       System.out.println(blockingQueue.poll());
       System.out.println(blockingQueue.poll());
       //null
       System.out.println(blockingQueue.poll());
   }
  • 一直阻塞：當(dāng)阻塞隊(duì)列滿時(shí)，生產(chǎn)者線程繼續(xù)往隊(duì)列中put元素，隊(duì)列會(huì)一直阻塞生產(chǎn)線程直到put數(shù)據(jù)或者響應(yīng)中斷請(qǐng)求
    當(dāng)隊(duì)列空時(shí)，消費(fèi)者線程視圖從隊(duì)列里take元素，隊(duì)列會(huì)一直阻塞消費(fèi)者線程直到隊(duì)列可用
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
        blockingQueue.put("a");
        blockingQueue.put("b");
        blockingQueue.put("c");
        //blockingQueue.put("d");
        blockingQueue.take();
        blockingQueue.take();
        blockingQueue.take();
        //blockingQueue.take();
    }
  • 超時(shí)退出：當(dāng)阻塞隊(duì)列滿時(shí)，隊(duì)列會(huì)阻塞生產(chǎn)者線程一定時(shí)間，超過限時(shí)后生產(chǎn)者線程會(huì)退出
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
        blockingQueue.offer("a",2L, TimeUnit.SECONDS);
        blockingQueue.offer("b",2L, TimeUnit.SECONDS);
        blockingQueue.offer("c",2L, TimeUnit.SECONDS);
        blockingQueue.offer("d",2L, TimeUnit.SECONDS);
    }

SynchronousQueue

SynchronousQueue與其他BlockingQueue不同，SynchronousQueue是一個(gè)不存儲(chǔ)元素的BlockingQueue,每一個(gè)put操作必須要等待一個(gè)take操作，否則不能繼續(xù)添加元素，反之亦然。

package com.zixin;

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;

/**
 * @ClassName SynchronousQueueDemo
 * @Description 
 * @Author zishen
 * @Date 2019/12/31 9:10
 * @Version 1.0
 * AA put 1
 * BB take 1
 * AA put 2
 * BB take 2
 * AA put 3
 * BB take 3
 **/
public class SynchronousQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<String> blockingQueue = new SynchronousQueue<>();
        new Thread(()->{
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" put 1");
                blockingQueue.put("1");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" put 2");
                blockingQueue.put("2");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" put 3");
                blockingQueue.put("3");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        },"AA").start();

        new Thread(()->{
            try {
                Thread.sleep(5);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" take 1");
                blockingQueue.take();
                Thread.sleep(5);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" take 2");
                blockingQueue.take();
                Thread.sleep(5);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" take 3");
                blockingQueue.take();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        },"BB").start();
    }
}

線程消費(fèi)之生產(chǎn)者消費(fèi)者

package com.zixin;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 資源類
 */
class ShareData{
private int number = 0;
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition condition = lock.newCondition();
public  void increment()throws Exception{
    lock.lock();
    try{
    //1、判斷
    while(number !=0){
        //等待 不能生產(chǎn)
        condition.await();
    }
    //2、干活
    number++;
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"  "+number);
    condition.signalAll();
    }catch (Exception e){
        e.printStackTrace();
    }finally {
        lock.unlock();
    }
}

    public  void decrement()throws Exception{
        lock.lock();
        try{
            //1、判斷  要使用while 如果用if可能會(huì)產(chǎn)生虛假喚起
            while(number ==0){
                //等待 不能生產(chǎn)
                condition.await();
            }
            //2、干活
            number--;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"  "+number);
            condition.signalAll();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}
/**
 * @ClassName ProduceConsumerTraditionDemo
 * @Description 初始值為0的變量。兩個(gè)線程對(duì)其交替操作，一個(gè)加1一個(gè)減1 來5輪
 *     1、線程  操作   資源類
 *     2、判斷  干活   通知
 *     3、防止虛假喚醒操作
 * @Author zixin
 * @Date 2019/12/31 10:35
 * @Version 1.0
 **/
public class ProduceConsumerTraditionDemo {

    public static void main(String[] args) {

        ShareData shareData = new ShareData();
        new Thread(()->{
            for (int i=0;i<5;i++){
                try {
                    shareData.increment();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"AA").start();
        new Thread(()->{
            for (int i=0;i<5;i++){
                try {
                    shareData.decrement();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"BB").start();
    }
}

synchronized和lock的區(qū)別

  • 原始構(gòu)成：
    synchronized是關(guān)鍵字屬于JVM層面
    monitorenter(底層是通過monitor對(duì)象來完成，其實(shí)wait/notify等方法也依賴于monitor，對(duì)象只有在同步塊或方法中才能調(diào)wait/notify方法)
    monitorexit
    lock是具體類（java.util.concurrent.locks.Lock）是api層面的鎖

  • 使用方法：
    snchronized不需要用戶去手動(dòng)釋放鎖，當(dāng)synchronized代碼執(zhí)行完成后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讓線程釋放對(duì)鎖的占用
    ReentrantLock則需要用戶去手動(dòng)釋放鎖若么有主動(dòng)釋放鎖，就有可能導(dǎo)致出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象
    需要lock()和unlock()方法配合try/finally語句塊來完成

  • 等待是否可中斷：
    synchronized不可中斷，除非拋出異?；蛘＿\(yùn)行完成。
    ReentrantLock可中斷：
    1、設(shè)置超時(shí)方法tryLock(long timeout,TimeUnit unit)
    2、LockInterruptibly()放代碼塊中，調(diào)用interrupt()方法可中斷

  • 加鎖是否公平：
    synchronized非公平鎖
    ReentrantLock兩者都可以，默認(rèn)公平鎖，構(gòu)造方法可以傳入boolean值true為公平鎖，false為非公平鎖

  • 鎖綁定多個(gè)條件Condition
    synchronized沒有
    ReentrantLock用來實(shí)現(xiàn)介紹喚醒需要喚醒的線程組，可以精確喚醒，而不是像synchronized要么喚醒一個(gè)線程要么喚醒全部線程

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