『併發包入坑指北』之阻塞隊列

摘要：在寫入數據成功後需要使用 empty.notify() ，這樣的目的是當獲取隊列爲空時，一旦寫入數據成功就可以把消費隊列的線程喚醒。而當沒有消費時，再往隊列裏寫數據則會導致寫入線程被阻塞。

前言

較長一段時間以來我都發現不少開發者對 jdk 中的 J.U.C （java.util.concurrent）也就是 Java 併發包的使用甚少，更別談對它的理解了；但這卻也是我們進階的必備關卡。

之前或多或少也分享過相關內容，但都不成體系；於是便想整理一套與併發包相關的系列文章。

其中的內容主要包含以下幾個部分：

根據定義自己實現一個併發工具。
JDK 的標準實現。
實踐案例。

基於這三點我相信大家對這部分內容不至於一問三不知。

既然開了一個新坑，就不想做的太差；所以我打算將這個列表下的大部分類都講到。

所以本次重點討論 ArrayBlockingQueue 。

自己實現

在自己實現之前先搞清楚阻塞隊列的幾個特點：

基本隊列特性：先進先出。
寫入隊列空間不可用時會阻塞。
獲取隊列數據時當隊列爲空時將阻塞。

實現隊列的方式多種，總的來說就是數組和鏈表；其實我們只需要搞清楚其中一個即可，不同的特性主要表現爲數組和鏈表的區別。

這裏的 ArrayBlockingQueue 看名字很明顯是由數組實現。

我們先根據它這三個特性嘗試自己實現試試。

初始化隊列

我這裏自定義了一個類： ArrayQueue ，它的構造函數如下：

public ArrayQueue(int size) {
        items = new Object[size];
    }

很明顯這裏的 items 就是存放數據的數組；在初始化時需要根據大小創建數組。

寫入隊列

寫入隊列比較簡單，只需要依次把數據存放到這個數組中即可，如下圖：

但還是有幾個需要注意的點：

隊列滿的時候，寫入的線程需要被阻塞。
寫入過隊列的數量大於隊列大小時需要從第一個下標開始寫。

先看第一個 隊列滿的時候，寫入的線程需要被阻塞 ，先來考慮下如何才能使一個線程被阻塞，看起來的表象線程卡住啥事也做不了。

有幾種方案可以實現這個效果:

Thread.sleep(timeout) 線程休眠。
object.wait() 讓線程進入 waiting 狀態。

當然還有一些 join、LockSupport.part 等不在本次的討論範圍。

阻塞隊列還有一個非常重要的特性是：當隊列空間可用時（取出隊列），寫入線程需要被喚醒讓數據可以寫入進去。

所以很明顯 Thread.sleep(timeout) 不合適，它在到達超時時間之後便會繼續運行；達不到 空間可用時 才喚醒繼續運行這個特點。

其實這樣的一個特點很容易讓我們想到 Java 的等待通知機制來實現線程間通信；更多線程見通信的方案可以參考這裏：深入理解線程通信

所以我這裏的做法是，一旦隊列滿時就將寫入線程調用 object.wait() 進入 waiting 狀態，直到空間可用時再進行喚醒。

/**
     * 隊列滿時的阻塞鎖
     */
    private Object full = new Object();

    /**
     * 隊列空時的阻塞鎖
     */
    private Object empty = new Object();

所以這裏聲明瞭兩個對象用於隊列滿、空情況下的互相通知作用。

在寫入數據成功後需要使用 empty.notify() ，這樣的目的是當獲取隊列爲空時，一旦寫入數據成功就可以把消費隊列的線程喚醒。

這裏的 wait 和 notify 操作都需要對各自的對象使用 synchronized 方法塊，這是因爲 wait 和 notify 都需要獲取到各自的鎖。

消費隊列

上文也提到了：當隊列爲空時，獲取隊列的線程需要被阻塞，直到隊列中有數據時才被喚醒。

代碼和寫入的非常類似，也很好理解；只是這裏的等待、喚醒恰好是相反的，通過下面這張圖可以很好理解：

總的來說就是：

寫入隊列滿時會阻塞直到獲取線程消費了隊列數據後喚醒 寫入線程 。
消費隊列空時會阻塞直到寫入線程寫入了隊列數據後喚醒 消費線程 。

測試

先來一個基本的測試：單線程的寫入和消費。

通過結果來看沒什麼問題。

當寫入的數據超過隊列的大小時，就只能消費之後才能接着寫入。

2019-04-09 16:24:41.040 [Thread-0] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - [Thread-0]123
2019-04-09 16:24:41.040 [main] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - size=3
2019-04-09 16:24:41.047 [main] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - 1234
2019-04-09 16:24:41.048 [main] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - 12345
2019-04-09 16:24:41.048 [main] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - 123456

從運行結果也能看出只有當消費數據後才能接着往隊列裏寫入數據。