【Java核心技术】 JUC包中队列

野性酷女 2022-04-14 04:06 90阅读 0赞

有时候我们把并发包下面的所有容器都习惯叫作并发容器，但是严格来讲，类似 ConcurrentLinkedQueue 这种“Concurrent\*”容器，才是真正代表并发。

关于问题中它们的区别：

Concurrent 类型基于 lock-free，在常见的多线程访问场景，一般可以提供较高吞吐量。

LinkedBlockingQueue 内部则是基于锁，并提供了 BlockingQueue 的等待性方法。

java.util.concurrent 包提供的容器（Queue、List、Set）、Map，从命名上可以大概区分为 Concurrent\*、CopyOnWrite和 Blocking等三类，同样是线程安全容器，可以简单认为：

Concurrent 类型没有类似 CopyOnWrite 之类容器相对较重的修改开销。

Concurrent 往往提供了较低的遍历一致性。弱一致性，例如，当利用迭代器遍历时，容器发生修改，迭代器仍可以进行遍历。

与弱一致性对应的，就是我介绍过的同步容器常见的行为“fail-fast”，也就是检测到容器在遍历过程中发生了修改，则抛出 ConcurrentModificationException，不再继续遍历。

弱一致性的另外一个体现是，size 等操作准确性是有限的，未必是 100% 准确。

与此同时，读取的性能具有一定的不确定性。

Executor 框架提供的各种线程池，同样无法离开队列。面试官可以从不同角度考察，比如：

常见的集合中如 LinkedList 是个 Deque，只不过不是线程安全的。

从不同的角度进行分类，从基本的数据结构的角度分析，有两个特别的Deque实现，ConcurrentLinkedDeque 和 LinkedBlockingDeque。Deque 的侧重点是支持对队列头尾都进行插入和删除，所以提供了特定的方法，如:

尾部插入时需要的addLast(e)、offerLast(e)。

尾部删除所需要的removeLast()、pollLast()。

从上面这些角度，能够理解 **ConcurrentLinkedDeque 和 LinkedBlockingQueue 的主要功能区别**。

从行为特征来看，绝大部分 Queue 都是实现了 BlockingQueue 接口。在常规队列操作基础上，Blocking 意味着其提供了特定的等待性操作，获取时（take）等待元素进队，或者插入时（put）等待队列出现空位。

/**
     * 获取并移除队列头结点，如果必要，其会等待直到队列出现元素
    …
     */
    E take() throws InterruptedException;
     
    /**
     * 插入元素，如果队列已满，则等待直到队列出现空闲空间
       …
     */
    void put(E e) throws InterruptedException;

另一个 BlockingQueue 经常被考察的点，就是是否有界（Bounded、Unbounded），这一点也往往会影响我们在应用开发中的选择，总结一下。

**ArrayBlockingQueue** 是最典型的的有界队列，其内部以 final 的数组保存数据，数组的大小就决定了队列的边界，所以我们在创建 ArrayBlockingQueue 时，都要指定容量，如public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair)  
**LinkedBlockingQueue**，容易被误解为无边界，但其实其行为和内部代码都是基于有界的逻辑实现的，只不过如果我们没有在创建队列时就指定容量，那么其容量限制就自动被设置为 Integer.MAX\_VALUE，成为了无界队列。

**SynchronousQueue**，这是一个非常奇葩的队列实现，每个删除操作都要等待插入操作，反之每个插入操作也都要等待删除动作。那么这个队列的容量是多少呢？是 1 吗？其实不是的，其内部容量是 0。

**PriorityBlockingQueue** 是无边界的优先队列，虽然严格意义上来讲，其大小总归是要受系统资源影响。

**DelayedQueue 和 LinkedTransferQueue** 同样是无边界的队列。对于无边界的队列，有一个自然的结果，就是 put 操作永远也不会发生其他 BlockingQueue 的那种等待情况。

如果我们分析不同队列的底层实现，BlockingQueue 基本都是基于锁实现，一起来看看典型的 LinkedBlockingQueue。

/** Lock held by take, poll, etc */
    private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
     
    /** Wait queue for waiting takes */
    private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
     
    /** Lock held by put, offer, etc */
    private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
     
    /** Wait queue for waiting puts */
    private final Condition notFull = putLock.newCondition();

介绍 ReentrantLock 的条件变量用法的时候分析过 ArrayBlockingQueue，其条件变量与 LinkedBlockingQueue 版本的实现是有区别的。notEmpty、notFull 都是同一个再入锁的条件变量，而 LinkedBlockingQueue 则改进了锁操作的粒度，头、尾操作使用不同的锁，所以在通用场景下，它的吞吐量相对要更好一些。

下面的 take 方法与 ArrayBlockingQueue 中的实现，也是有不同的，由于其内部结构是链表，需要自己维护元素数量值，请参考下面的代码。

public E take() throws InterruptedException {
        final E x;
        final int c;
        final AtomicInteger count = this.count;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count.get() == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            x = dequeue();
            c = count.getAndDecrement();
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
        if (c == capacity)
            signalNotFull();
        return x;
    }

类似 ConcurrentLinkedQueue 等，则是基于 CAS 的无锁技术，不需要在每个操作时使用锁，所以扩展性表现要更加优异。

相对比较另类的 SynchronousQueue，在 Java 6 中，其实现发生了非常大的变化，利用 CAS 替换掉了原本基于锁的逻辑，同步开销比较小。它是 **Executors.newCachedThreadPool() 的默认队列。**

队列使用场景与典型用例

在实际开发中，我提到过 Queue 被广泛使用在生产者 - 消费者场景，比如利用 BlockingQueue 来实现，由于其提供的等待机制，我们可以少操心很多协调工作，你可以参考下面样例代码：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
    import java.util.concurrent.BlockingQueue;
     
    public class ConsumerProducer {
        public static final String EXIT_MSG  = "Good bye!";
        public static void main(String[] args) {
    // 使用较小的队列，以更好地在输出中展示其影响
            BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
            Producer producer = new Producer(queue);
            Consumer consumer = new Consumer(queue);
            new Thread(producer).start();
            new Thread(consumer).start();
        }
     
     
        static class Producer implements Runnable {
            private BlockingQueue<String> queue;
            public Producer(BlockingQueue<String> q) {
                this.queue = q;
            }
     
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 20; i++) {
                    try{
                        Thread.sleep(5L);
                        String msg = "Message" + i;
                        System.out.println("Produced new item: " + msg);
                        queue.put(msg);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
     
                try {
                    System.out.println("Time to say good bye!");
                    queue.put(EXIT_MSG);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
     
        static class Consumer implements Runnable{
            private BlockingQueue<String> queue;
            public Consumer(BlockingQueue<String> q){
                this.queue=q;
            }
     
            @Override
            public void run() {
                try{
                    String msg;
                    while(!EXIT_MSG.equalsIgnoreCase( (msg = queue.take()))){
                        System.out.println("Consumed item: " + msg);
                        Thread.sleep(10L);
                    }
                    System.out.println("Got exit message, bye!");
                }catch(InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

上面是一个典型的生产者 - 消费者样例，如果使用非 Blocking 的队列，那么我们就要自己去实现轮询、条件判断（如检查 poll 返回值是否 null）等逻辑，如果没有特别的场景要求，Blocking 实现起来代码更加简单、直观。

**前面介绍了各种队列实现，在日常的应用开发中，如何进行选择呢？**

以 LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue 和 SynchronousQueue 为例，我们一起来分析一下，根据需求可以从很多方面考量：

考虑应用场景中对队列边界的要求。ArrayBlockingQueue 是有明确的容量限制的，而 LinkedBlockingQueue 则取决于我们是否在创建时指定，SynchronousQueue 则干脆不能缓存任何元素。

从空间利用角度，数组结构的 ArrayBlockingQueue 要比 LinkedBlockingQueue 紧凑，因为其不需要创建所谓节点，但是其初始分配阶段就需要一段连续的空间，所以初始内存需求更大。

通用场景中，**LinkedBlockingQueue 的吞吐量一般优于 ArrayBlockingQueue**，因为它实现了更加细粒度的锁操作。

ArrayBlockingQueue 实现比较简单，性能更好预测，属于表现稳定的“选手”。

如果我们需要实现的是两个线程之间接力性（handoff）的场景，按照专栏上一讲的例子，你可能会选择 CountDownLatch，但是SynchronousQueue也是完美符合这种场景的，而且线程间协调和数据传输统一起来，代码更加规范。

可能令人意外的是，很多时候 SynchronousQueue 的性能表现，往往大大超过其他实现，尤其是在队列元素较小的场景。