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阻塞式队列

2022-07-28 21:50:00 【Master_hl】

1.阻塞队列是什么

阻塞队列是一种特殊的队列，也遵守"先进先出"的原则。这里注意不要和操作系统内核里，表示阻塞状态的 PCB 的那个链表混为一谈了！！

阻塞队列能够保证线程安全，它有以下特性：

1.当队列满的时候, 继续入队列就会阻塞, 直到有其他线程从队列中取走元素。
2.当队列空的时候, 继续出队列也会阻塞, 直到有其他线程往队列中插入元素。

2.阻塞队列中一个最重要的应用场景：生产者消费者模型

什么是生产者消费者模型呢？？

【举例】

按照上图中的方案二包饺子，会出现两种情况：
1.生产者擀皮速度惊人，还没等消费者使用，盖帘就摆满了，所以它就停下来休息一会。
2.生产者生产的速度跟不上消费者消耗擀皮的速度，于是就出现，盖帘里没有擀皮的情况，于是消费者就等待休息一会。
我们把这种模型就叫做生产者消费者模型！！

生产者消费者模型的优点

优点一：可以做到更好的"解耦合"

优点二：能够做到"削峰填谷"，提高整个系统的抗风险能力！！

所以我们就需要利用生产者消费者模型来解决这种问题！！

3.Java标准库中阻塞队列的简单使用

public class TestDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Integer> blockingQueue = new LinkedBlockingQueue<>();

        Thread customer = new Thread(() -> {
            while(true) {
                try {
                    int value = blockingQueue.take();
                    System.out.println("消费元素: " + value);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        customer.start();
        Thread producer = new Thread(() -> {
            int n = 0;
            while(true) {
                try {
                    System.out.println("生产元素: " + n);
                    blockingQueue.put(n);
                    n++;
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        producer.start();
    }
}

4.阻塞队列的实现

基于数组的方式来实现

两个核心方法：put（入队列）和 take（出队列）

【实现代码】

public class MyBlockingQueue {
    //假定数组最大容量为 1000
    private int[] elem = new int[1000];
    //队头
    private int front = 0;
    //队尾
    private int rear = 0;
    //阻塞队列中有效数据个数
    volatile private int size = 0;

    //入队列
    public void put(int value) throws InterruptedException {
        synchronized (this) {
            while(size == elem.length) {
                //队列满了，入队阻塞等待
                this.wait();
            }
            elem[rear] = value;
            rear++;
            if(rear == elem.length) {
                //如果 rear 到达数组末尾，就让它重新从 0 开始
                rear = 0;
            }
            size++;
            //插入元素后，就可以把 出队列 唤醒了
            this.notify();
        }
    }
    //出队列
    public Integer take() throws InterruptedException {
        int ret = 0;
        synchronized (this) {
            while(size == 0) {
                //队列为空，出队阻塞等待
                this.wait();
            }
            ret = this.elem[front];
            front++;
            if(front == elem.length) {
                front = 0;
            }
            size--;
            //取走元素后，就可以把 入队列 唤醒了
            this.notify();
        }
        return ret;
    }
}

【基本步骤】

1.通过 "循环队列" 的方式来实现；
2.使用 synchronized 进行加锁控制；
3.put 插入元素的时候, 判定如果队列满了, 就进行 wait；
4.take 取出元素的时候, 判定如果队列为空, 就进行 wait。

【重点分析】

1.出队，入队，以及元素个数 ++，-- 等等都涉及到线程安全问题，判空、判满，里面又用到了 wait()，而 wait() 方法的第一步就是释放锁，所以 synchronized 要将它们全部包裹住。
2.理解队列为空时，出队需等待，插入元素后，即可唤醒出队；队列为满时，插入队列需等待，取出元素后，即可唤醒入队
3.入队和出队操作涉及到了读和写，给 size 变量加上 volatile 防止编译器优化，指令重排序影响 size 的值。
4.为什么判空判满时需要加上循环，结合下图理解：

【测试代码】

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        MyBlockingQueue queue = new MyBlockingQueue();
        Thread customer = new Thread(() -> {
            while(true) {
                try {
                    //消费元素
                    int value = queue.take();
                    System.out.println("消费: " + value);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        customer.start();
        Thread producer = new Thread(() -> {
            int value = 0;
            while(true) {
                try {
                    //生产元素
                    queue.put(value);
                    System.out.println("生产: " + value);
                    value++;
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        producer.start();
    }
}

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