摘要：自己實現(xiàn)在自己實現(xiàn)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。消費隊列空時會阻塞直到寫入線程寫入了隊列數(shù)據(jù)后喚醒消費線程。最終的隊列大小為，可見線程也是安全的。

較長一段時間以來我都發(fā)現(xiàn)不少開發(fā)者對 jdk 中的 J.U.C（java.util.concurrent）也就是 Java 并發(fā)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(nèi)容，但都不成體系；于是便想整理一套與并發(fā)包相關的系列文章。

其中的內(nèi)容主要包含以下幾個部分：

根據(jù)定義自己實現(xiàn)一個并發(fā)工具。

JDK 的標準實現(xiàn)。

實踐案例。

基于這三點我相信大家對這部分內(nèi)容不至于一問三不知。

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。

在自己實現(xiàn)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(shù)據(jù)時當隊列為空時將阻塞。

實現(xiàn)隊列的方式多種，總的來說就是數(shù)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(xiàn)為數(shù)組和鏈表的區(qū)別。

這里的 ArrayBlockingQueue 看名字很明顯是由數(shù)組實現(xiàn)。

我們先根據(jù)它這三個特性嘗試自己實現(xiàn)試試。

我這里自定義了一個類：ArrayQueue，它的構(gòu)造函數(shù)如下：

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

很明顯這里的 items 就是存放數(shù)據(jù)的數(shù)組；在初始化時需要根據(jù)大小創(chuàng)建數(shù)組。

寫入隊列比較簡單，只需要依次把數(shù)據(jù)存放到這個數(shù)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(shù)量大于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(xiàn)這個效果:

Thread.sleep(timeout)線程休眠。

object.wait() 讓線程進入 waiting 狀態(tài)。

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

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(shù)據(jù)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后便會繼續(xù)運行；達不到空間可用時才喚醒繼續(xù)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(xiàn)線程間通信；更多線程見通信的方案可以參考這里：深入理解線程通信

所以我這里的做法是，一旦隊列滿時就將寫入線程調(diào)用 object.wait() 進入 waiting 狀態(tài)，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();

所以這里聲明了兩個對象用于隊列滿、空情況下的互相通知作用。

在寫入數(shù)據(jù)成功后需要使用 empty.notify()，這樣的目的是當獲取隊列為空時，一旦寫入數(shù)據(jù)成功就可以把消費隊列的線程喚醒。

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

上文也提到了：當隊列為空時，獲取隊列的線程需要被阻塞，直到隊列中有數(shù)據(jù)時才被喚醒。

代碼和寫入的非常類似，也很好理解；只是這里的等待、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(shù)據(jù)后喚醒寫入線程。

消費隊列空時會阻塞直到寫入線程寫入了隊列數(shù)據(jù)后喚醒消費線程。

先來一個基本的測試：單線程的寫入和消費。

3
123
1234
12345

通過結(jié)果來看沒什么問題。

當寫入的數(shù)據(jù)超過隊列的大小時，就只能消費之后才能接著寫入。

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(jié)果也能看出只有當消費數(shù)據(jù)后才能接著往隊列里寫入數(shù)據(jù)。

而當沒有消費時，再往隊列里寫數(shù)據(jù)則會導致寫入線程被阻塞。

三個線程并發(fā)寫入300條數(shù)據(jù)，其中一個線程消費一條。

=====0
299

最終的隊列大小為 299，可見線程也是安全的。

由于不管是寫入還是獲取方法里的操作都需要獲取鎖才能操作，所以整個隊列是線程安全的。

下面來看看 JDK 標準的 ArrayBlockingQueue 的實現(xiàn)，有了上面的基礎會更好理解。

看似要復雜些，但其實逐步拆分后也很好理解：

第一步其實和我們自己寫的一樣，初始化一個隊列大小的數(shù)組。

第二步初始化了一個重入鎖，這里其實就和我們之前使用的 synchronized 作用一致的；

只是這里在初始化重入鎖的時候默認是非公平鎖，當然也可以指定為 true 使用公平鎖；這樣就會按照隊列的順序進行寫入和消費。

更多關于 ReentrantLock 的使用和原理請參考這里：ReentrantLock 實現(xiàn)原理

三四兩步則是創(chuàng)建了 notEmpty notFull 這兩個條件，他的作用于用法和之前使用的 object.wait/notify 類似。

這就是整個初始化的內(nèi)容，其實和我們自己實現(xiàn)的非常類似。

其實會發(fā)現(xiàn)阻塞寫入的原理都是差不多的，只是這里使用的是 Lock 來顯式獲取和釋放鎖。

同時其中的 notFull.await();notEmpty.signal(); 和我們之前使用的 object.wait/notify 的用法和作用也是一樣的。

當然它還是實現(xiàn)了超時阻塞的 API。

也是比較簡單，使用了一個具有超時時間的等待方法。

再看消費隊列：

也是差不多的，一看就懂。

而其中的超時 API 也是使用了 notEmpty.awaitNanos(nanos) 來實現(xiàn)超時返回的，就不具體說了。

說了這么多，來看一個隊列的實際案例吧。

背景是這樣的：

有一個定時任務會按照一定的間隔時間從數(shù)據(jù)庫中讀取一批數(shù)據(jù)，需要對這些數(shù)據(jù)做校驗同時調(diào)用一個遠程接口。

簡單的做法就是由這個定時任務的線程去完成讀取數(shù)據(jù)、消息校驗、調(diào)用接口等整個全流程；但這樣會有一個問題：

假設調(diào)用外部接口出現(xiàn)了異常、網(wǎng)絡不穩(wěn)導致耗時增加就會造成整個任務的效率降低，因為他都是串行會互相影響。

所以我們改進了方案：

其實就是一個典型的生產(chǎn)者消費者模型：

生產(chǎn)線程從數(shù)據(jù)庫中讀取消息丟到隊列里。

消費線程從隊列里獲取數(shù)據(jù)做業(yè)務邏輯。

這樣兩個線程就可以通過這個隊列來進行解耦，互相不影響，同時這個隊列也能起到緩沖的作用。

但在使用過程中也有一些小細節(jié)值得注意。

因為這個外部接口是支持批量執(zhí)行的，所以在消費線程取出數(shù)據(jù)后會在內(nèi)存中做一個累加，一旦達到閾值或者是累計了一個時間段便將這批累計的數(shù)據(jù)處理掉。

但由于開發(fā)者的大意，在消費的時候使用的是 queue.take() 這個阻塞的 API；正常運行沒啥問題。

可一旦原始的數(shù)據(jù)源，也就是 DB 中沒數(shù)據(jù)了，導致隊列里的數(shù)據(jù)也被消費完后這個消費線程便會被阻塞。

這樣上一輪積累在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)便一直沒機會使用，直到數(shù)據(jù)源又有數(shù)據(jù)了，一旦中間間隔較長時便可能會導致嚴重的業(yè)務異常。

所以我們最好是使用 queue.poll(timeout) 這樣帶超時時間的 api，除非業(yè)務上有明確的要求需要阻塞。

這個習慣同樣適用于其他場景，比如調(diào)用 http、rpc 接口等都需要設置合理的超時時間。

關于 ArrayBlockingQueue 的相關分享便到此結(jié)束，接著會繼續(xù)更新其他并發(fā)容器及并發(fā)工具。

對本文有任何相關問題都可以留言討論。

本文涉及到的所有源碼：

https://github.com/crossoverJ...

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