如何自己打造一个阻塞队列

来源：crossoverJie

前言

较长一段时间以来我都发现不少开发者对 jdk 中的 J.U.C（java.util.concurrent）也就是 Java 并发包的使用甚少，更别谈对它的理解了；但这却也是我们进阶的必备关卡。

之前或多或少也分享过相关内容，但都不成体系；于是便想整理一套与并发包相关的系列文章。

其中的内容主要包含以下几个部分：

• 根据定义自己实现一个并发工具。

• JDK 的标准实现。

• 实践案例。

基于这三点我相信大家对这部分内容不至于一问三不知。

既然开了一个新坑，就不想做的太差；所以我打算将这个列表下的大部分类都讲到。

所以本次重点讨论 ArrayBlockingQueue。

自己实现

在自己实现之前先搞清楚阻塞队列的几个特点：

• 基本队列特性：先进先出。

• 写入队列空间不可用时会阻塞。

• 获取队列数据时当队列为空时将阻塞。

实现队列的方式多种，总的来说就是数组和链表；其实我们只需要搞清楚其中一个即可，不同的特性主要表现为数组和链表的区别。

这里的 ArrayBlockingQueue 看名字很明显是由数组实现。

我们先根据它这三个特性尝试自己实现试试。

初始化队列

我这里自定义了一个类： ArrayQueue，它的构造函数如下：

1. public ArrayQueue(int size) {

2. items = new Object[size];

3. }

很明显这里的 items 就是存放数据的数组；在初始化时需要根据大小创建数组。

写入队列

写入队列比较简单，只需要依次把数据存放到这个数组中即可，如下图：

但还是有几个需要注意的点：

• 队列满的时候，写入的线程需要被阻塞。

• 写入过队列的数量大于队列大小时需要从第一个下标开始写。

先看第一个 队列满的时候，写入的线程需要被阻塞，先来考虑下如何才能使一个线程被阻塞，看起来的表象线程卡住啥事也做不了。

有几种方案可以实现这个效果:

• Thread.sleep(timeout)线程休眠。

• object.wait() 让线程进入 waiting 状态。

当然还有一些 join、LockSupport.part 等不在本次的讨论范围。

阻塞队列还有一个非常重要的特性是：当队列空间可用时（取出队列），写入线程需要被唤醒让数据可以写入进去。

所以很明显 Thread.sleep(timeout)不合适，它在到达超时时间之后便会继续运行；达不到空间可用时才唤醒继续运行这个特点。

其实这样的一个特点很容易让我们想到 Java 的等待通知机制来实现线程间通信；更多线程见通信的方案可以参考这里：深入理解线程通信

所以我这里的做法是，一旦队列满时就将写入线程调用 object.wait() 进入 waiting 状态，直到空间可用时再进行唤醒。

1. /**

2. * 队列满时的阻塞锁

3. */

4. private Object full = new Object();

5. /**

6. * 队列空时的阻塞锁

7. */

8. private Object empty = new Object();

所以这里声明了两个对象用于队列满、空情况下的互相通知作用。

在写入数据成功后需要使用 empty.notify()，这样的目的是当获取队列为空时，一旦写入数据成功就可以把消费队列的线程唤醒。

这里的 wait 和 notify 操作都需要对各自的对象使用 synchronized 方法块，这是因为 wait 和 notify 都需要获取到各自的锁。

消费队列

上文也提到了：当队列为空时，获取队列的线程需要被阻塞，直到队列中有数据时才被唤醒。

代码和写入的非常类似，也很好理解；只是这里的等待、唤醒恰好是相反的，通过下面这张图可以很好理解：

总的来说就是：

• 写入队列满时会阻塞直到获取线程消费了队列数据后唤醒写入线程。

• 消费队列空时会阻塞直到写入线程写入了队列数据后唤醒消费线程。

测试

先来一个基本的测试：单线程的写入和消费。

1. 3

2. 123

3. 1234

4. 12345

通过结果来看没什么问题。

---

当写入的数据超过队列的大小时，就只能消费之后才能接着写入。

1. 2019-04-09 16:24:41.040 [Thread-0] INFO c.c.concurrent.ArrayQueueTest - [Thread-0]123

2. 2019-04-09 16:24:41.040 [main] INFO c.c.concurrent.ArrayQueueTest - size=3

3. 2019-04-09 16:24:41.047 [main] INFO c.c.concurrent.ArrayQueueTest - 1234

4. 2019-04-09 16:24:41.048 [main] INFO c.c.concurrent.ArrayQueueTest - 12345

5. 2019-04-09 16:24:41.048 [main] INFO c.c.concurrent.ArrayQueueTest - 123456

从运行结果也能看出只有当消费数据后才能接着往队列里写入数据。

---

而当没有消费时，再往队列里写数据则会导致写入线程被阻塞。

并发测试

三个线程并发写入300条数据，其中一个线程消费一条。

1. =====0

2. 299

最终的队列大小为 299，可见线程也是安全的。

由于不管是写入还是获取方法里的操作都需要获取锁才能操作，所以整个队列是线程安全的。

ArrayBlockingQueue

下面来看看 JDK 标准的 ArrayBlockingQueue 的实现，有了上面的基础会更好理解。

初始化队列

看似要复杂些，但其实逐步拆分后也很好理解：

第一步其实和我们自己写的一样，初始化一个队列大小的数组。

第二步初始化了一个重入锁，这里其实就和我们之前使用的 synchronized 作用一致的；

只是这里在初始化重入锁的时候默认是 非公平锁，当然也可以指定为 true 使用公平锁；这样就会按照队列的顺序进行写入和消费。

更多关于 ReentrantLock 的使用和原理请参考这里：ReentrantLock 实现原理

三四两步则是创建了 notEmpty notFull 这两个条件，他的作用于用法和之前使用的 object.wait/notify 类似。

这就是整个初始化的内容，其实和我们自己实现的非常类似。

写入队列

其实会发现阻塞写入的原理都是差不多的，只是这里使用的是 Lock 来显式获取和释放锁。

同时其中的 notFull.await();notEmpty.signal(); 和我们之前使用的 object.wait/notify 的用法和作用也是一样的。

当然它还是实现了超时阻塞的 API。

也是比较简单，使用了一个具有超时时间的等待方法。

消费队列

再看消费队列：

也是差不多的，一看就懂。

而其中的超时 API 也是使用了 notEmpty.awaitNanos(nanos) 来实现超时返回的，就不具体说了。

实际案例

说了这么多，来看一个队列的实际案例吧。

背景是这样的：

有一个定时任务会按照一定的间隔时间从数据库中读取一批数据，需要对这些数据做校验同时调用一个远程接口。

简单的做法就是由这个定时任务的线程去完成读取数据、消息校验、调用接口等整个全流程；但这样会有一个问题：

假设调用外部接口出现了异常、网络不稳导致耗时增加就会造成整个任务的效率降低，因为他都是串行会互相影响。

所以我们改进了方案：

其实就是一个典型的生产者消费者模型：

• 生产线程从数据库中读取消息丢到队列里。

• 消费线程从队列里获取数据做业务逻辑。

这样两个线程就可以通过这个队列来进行解耦，互相不影响，同时这个队列也能起到缓冲的作用。

但在使用过程中也有一些小细节值得注意。

因为这个外部接口是支持批量执行的，所以在消费线程取出数据后会在内存中做一个累加，一旦达到阈值或者是累计了一个时间段便将这批累计的数据处理掉。

但由于开发者的大意，在消费的时候使用的是 queue.take() 这个阻塞的 API；正常运行没啥问题。

可一旦原始的数据源，也就是 DB 中没数据了，导致队列里的数据也被消费完后这个消费线程便会被阻塞。

这样上一轮积累在内存中的数据便一直没机会使用，直到数据源又有数据了，一旦中间间隔较长时便可能会导致严重的业务异常。

所以我们最好是使用 queue.poll(timeout) 这样带超时时间的 api，除非业务上有明确的要求需要阻塞。

这个习惯同样适用于其他场景，比如调用 http、rpc 接口等都需要设置合理的超时时间。

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