【Java】多线程和高并发编程（四）：阻塞队列（上）基础概念、ArrayBlockingQueue

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四、阻塞队列

1、基础概念

1.1 生产者消费者概念

生产者消费者是设计模式的一种。让生产者和消费者基于一个容器来解决强耦合问题。

生产者 消费者彼此之间不会直接通讯的，而是通过一个容器（队列）进行通讯。

所以生产者生产完数据后扔到容器中，不通用等待消费者来处理。

消费者不需要去找生产者要数据，直接从容器中获取即可。

而这种容器最常用的结构就是队列。

1.2 JUC阻塞队列的存取方法

常用的存取方法都是来自于JUC包下的BlockingQueue

生产者存储方法

add(E)     	// 添加数据到队列，如果队列满了，无法存储，抛出异常
offer(E)    // 添加数据到队列，如果队列满了，返回false
offer(E,timeout,unit)   // 添加数据到队列，如果队列满了，阻塞timeout时间，如果阻塞一段时间，依然没添加进入，返回false
put(E)      // 添加数据到队列，如果队列满了，挂起线程，等到队列中有位置，再扔数据进去，死等！

消费者取数据方法

remove()    // 从队列中移除数据，如果队列为空，抛出异常
poll()      // 从队列中移除数据，如果队列为空，返回null，么的数据
poll(timeout,unit)   // 从队列中移除数据，如果队列为空，挂起线程timeout时间，等生产者扔数据，再获取
take()     // 从队列中移除数据，如果队列为空，线程挂起，一直等到生产者扔数据，再获取

2、ArrayBlockingQueue

2.1 ArrayBlockingQueue的基本使用

ArrayBlockingQueue在初始化的时候，必须指定当前队列的长度。

因为ArrayBlockingQueue是基于数组实现的队列结构，数组长度不可变，必须提前设置数组长度信息。

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException, IOException {
    // 必须设置队列的长度
    ArrayBlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(4);

    // 生产者扔数据
    queue.add("1");
    queue.offer("2");
    queue.offer("3",2,TimeUnit.SECONDS);
    queue.put("2");

    // 消费者取数据
    System.out.println(queue.remove());
    System.out.println(queue.poll());
    System.out.println(queue.poll(2,TimeUnit.SECONDS));
    System.out.println(queue.take());
}

2.2 生产者方法实现原理

生产者添加数据到队列的方法比较多，需要一个一个查看

2.2.1 ArrayBlockingQueue的常见属性

ArrayBlockingQueue中的成员变量

lock = 就是一个ReentrantLock
count = 就是当前数组中元素的个数
iterms = 就是数组本身
# 基于putIndex和takeIndex将数组结构实现为了队列结构
putIndex = 存储数据时的下标
takeIndex = 去数据时的下标
notEmpty = 消费者挂起线程和唤醒线程用到的Condition（看成sync的wait和notify）
notFull = 生产者挂起线程和唤醒线程用到的Condition（看成sync的wait和notify）

2.2.2 add方法实现

add方法本身就是调用了offer方法，如果offer方法返回false，直接抛出异常

public boolean add(E e) {
    if (offer(e))
        return true;
    else
        // 抛出的异常
        throw new IllegalStateException("Queue full");
}

2.2.3 offer方法实现

public boolean offer(E e) {
    // 要求存储的数据不允许为null，为null就抛出空指针
    checkNotNull(e);
    // 当前阻塞队列的lock锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 为了保证线程安全，加锁
    lock.lock();
    try {
        // 如果队列中的元素已经存满了，
        if (count == items.length)
            // 返回false
            return false;
        else {
            // 队列没满，执行enqueue将元素添加到队列中
            enqueue(e);
            // 返回true
            return true;
        }
    } finally {
        // 操作完释放锁
        lock.unlock();
    }
}

//==========================================================
private void enqueue(E x) {
    // 拿到数组的引用
    final Object[] items = this.items;
    // 将元素放到指定位置
    items[putIndex] = x;
    // 对inputIndex进行++操作，并且判断是否已经等于数组长度，需要归位
    if (++putIndex == items.length)
        // 将索引设置为0
        putIndex = 0;
    // 元素添加成功，进行++操作。
    count++;
    // 将一个Condition中阻塞的线程唤醒。
    notEmpty.signal();
}

2.2.4 offer(time,unit)方法

生产者在添加数据时，如果队列已经满了，阻塞一会。

• 阻塞到消费者消费了消息，然后唤醒当前阻塞线程
• 阻塞到了time时间，再次判断是否可以添加，不能，直接告辞。

// 如果线程在挂起的时候，如果对当前阻塞线程的中断标记位进行设置，此时会抛出异常直接结束
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
	// 非空检验
    checkNotNull(e);
    // 将时间单位转换为纳秒
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    // 加锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 允许线程中断并排除异常的加锁方式
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // 为什么是while（虚假唤醒）
        // 如果元素个数和数组长度一致，队列慢了
        while (count == items.length) {
            // 判断等待的时间是否还充裕
            if (nanos <= 0)
                // 不充裕，直接添加失败
                return false;
            // 挂起等待，会同时释放锁资源（对标sync的wait方法）
            // awaitNanos会挂起线程，并且返回剩余的阻塞时间
            // 恢复执行时，需要重新获取锁资源
            nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
        }
        // 说明队列有空间了，enqueue将数据扔到阻塞队列中
        enqueue(e);
        return true;
    } finally {
        // 释放锁资源
        lock.unlock();
    }
}

2.2.5 put方法

如果队列是满的， 就一直挂起，直到被唤醒，或者被中断

public void put(E e) throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == items.length)
            // await方法一直阻塞，直到被唤醒或者中断标记位
            notFull.await();
        enqueue(e);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

2.3 消费者方法实现原理

2.3.1 remove方法

// remove方法就是调用了poll
public E remove() {
    E x = poll();
    // 如果有数据，直接返回
    if (x != null)
        return x;
    // 没数据抛出异常
    else
        throw new NoSuchElementException();
}

2.4.2 poll方法

// 拉取数据
public E poll() {
    // 加锁操作
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        // 如果没有数据，直接返回null，如果有数据，执行dequeue，取出数据并返回
        return (count == 0) ? null : dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

//==========================================================
// 取出数据
private E dequeue() {
    // 将成员变量引用到局部变量
    final Object[] items = this.items;
    // 直接获取指定索引位置的数据
    E x = (E) items[takeIndex];
    // 将数组上指定索引位置设置为null
    items[takeIndex] = null;
    // 设置下次取数据时的索引位置
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0;
    // 对count进行--操作
    count--;
    // 迭代器内容，先跳过
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    // signal方法，会唤醒当前Condition中排队的一个Node。
    // signalAll方法，会将Condition中所有的Node，全都唤醒
    notFull.signal();
    // 返回数据。
    return x;
}

2.4.3 poll(time,unit)方法

public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    // 转换时间单位
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    // 竞争锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果没有数据
        while (count == 0) {
            if (nanos <= 0)
                // 没数据，也无法阻塞了，返回null
                return null;
            // 没数据，挂起消费者线程
            nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
        }
        // 取数据
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

2.4.4 take方法

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // 虚假唤醒
        while (count == 0)
            notEmpty.await();
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

2.4.5 虚假唤醒

阻塞队列中，如果需要线程挂起操作，判断有无数据的位置采用的是while循环 ，为什么不能换成if

肯定是不能换成if逻辑判断

线程A，线程B，线程E，线程C。 其中ABE生产者，C属于消费者

假如线程的队列是满的

// E，拿到锁资源，还没有走while判断
while (count == items.length)
    // A醒了
    // B挂起
    notFull.await();
enqueue(e)；

C此时消费一条数据，执行notFull.signal()唤醒一个线程，A线程被唤醒

E走判断，发现有空余位置，可以添加数据到队列，E添加数据，走enqueue

如果判断是if，A在E释放锁资源后，拿到锁资源，直接走enqueue方法。

此时A线程就是在putIndex的位置，覆盖掉之前的数据，造成数据安全问题