并发编程---阻塞队列（五）

一 阻塞队列

1.1.阻塞队列概念

概念：

• 在多线程领域：所谓阻塞，在某些情况下会挂起线程（即阻塞），⼀旦条件满⾜，被挂起的线程⼜ 会⾃动被唤醒。
• 阻塞队列 是⼀个队列，在数据结构中起的作⽤如下图：
  

当队列是空的，从队列中获取（Take）元素的操作将会被阻塞
当队列是满的，从队列中添加（Put）元素的操作将会被阻塞
试图中空的队列中获取元素的线程将会被阻塞，直到其他线程往空的队列插⼊新的元素
试图向已满的队列中添加新元素的线程将会被阻塞，直到其他线程从队列中移除⼀个或多个元素 或者完全清空，使队列变得空闲起来后并后续新增

好处：阻塞队列不⽤⼿动控制什么时候该被阻塞，什么时候该被唤醒，简化了操作。
体系： Collection→ Queue→ BlockingQueue→七个阻塞队列实现类。


粗体标记的三个⽤得⽐较多，许多消息中间件底层就是⽤它们实现的。
需要注意的是 LinkedBlockingQueue 虽然是有界的，但有个巨坑，其默认⼤⼩是 Integer.MAX_VALUE ，⾼达21亿，⼀般情况下内存早爆了（在线程池的 ThreadPoolExecutor 有体现）。
API：

抛出异常是指： 当队列满时，再次插⼊会抛出异常；
返回布尔是指：当队列满时，再次插⼊会返回false；
阻塞是指：当队列满时，再次插⼊会被阻塞，直到队列取出⼀个元素，才能插⼊。
超时是指：当⼀个时限过后，才会插⼊或者取出。

1.2.阻塞队列API案例

1.2.1. ArrayBlockingQueue

1.2.1.1.抛出异常

代码

public class BlockingQueueDemo {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//定义容量为3的阻塞队列BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);System.out.println(blockingQueue.add("a"));System.out.println(blockingQueue.add("b"));System.out.println(blockingQueue.add("c"));System.out.println(blockingQueue.add("e"));System.out.println(blockingQueue.element());System.out.println(blockingQueue.remove());System.out.println(blockingQueue.remove());System.out.println(blockingQueue.remove());System.out.println(blockingQueue.remove());}

结果分析

1. 当添加四个元素时抛出IllegalStateException: Queue full

2. 当取出四个元素时抛出NoSuchElementException

1.2.1.2.返回布尔

代码

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//定义容量为3的阻塞队列BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);System.out.println(blockingQueue.offer("a"));System.out.println(blockingQueue.offer("b"));System.out.println(blockingQueue.offer("c"));System.out.println(blockingQueue.offer("e"));System.out.println(blockingQueue.peek());System.out.println(blockingQueue.poll());System.out.println(blockingQueue.poll());System.out.println(blockingQueue.poll());System.out.println(blockingQueue.poll());}

结果

1.2.1.3.阻塞

代码

 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//定义容量为3的阻塞队列BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);blockingQueue.put("a");blockingQueue.put("b");blockingQueue.put("c");blockingQueue.put("d");System.out.println(blockingQueue.take());System.out.println(blockingQueue.take());System.out.println(blockingQueue.take());System.out.println(blockingQueue.take());}

结果

1. 存储是容量已满
   
2. 取得时候队列为空也会阻塞
   

1.2.1.4.超时

代码

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//定义容量为3的阻塞队列BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);System.out.println(blockingQueue.offer("a",2L, TimeUnit.SECONDS));System.out.println(blockingQueue.offer("a",2L, TimeUnit.SECONDS));System.out.println(blockingQueue.offer("a",2L, TimeUnit.SECONDS));System.out.println(blockingQueue.offer("a",2L, TimeUnit.SECONDS));}

结果

1.2.2.SynchronousQueue

队列只有⼀个元素，如果想插⼊多个，阻塞到队列元素取出后，才能插⼊，只能有⼀个“坑位”，⽤⼀个
插⼀个，详⻅SynchronousQueueDemo。
代码

public class SynchronousQueueDemo {public static void main(String[] args) {BlockingQueue<String> blockingQueue=new SynchronousQueue<String>();new Thread(()->{try {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t put 1");blockingQueue.put("1");System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t put 2");blockingQueue.put("2");System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t put 3");blockingQueue.put("3");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}},"AAA").start();new Thread(()->{try {try{ TimeUnit.SECONDS.sleep(5); }catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); }System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t take "+blockingQueue.take());try{ TimeUnit.SECONDS.sleep(5); }catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); }System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t take "+blockingQueue.take());try{ TimeUnit.SECONDS.sleep(5); }catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); }System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t take"+blockingQueue.take());} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}},"BBB").start();}
}

结果

二 阻塞队列应用—生产者消费者

2.1.传统模式

传统模式使⽤ Synchronized来进⾏操作。

案例代码

/*** 题目：现在两个线程，可以操作初始值为零的一个变量，* 实现一个线程对该变量加1，一个线程对该变量-1，* 实现交替，来10轮，变量初始值为0.* 1.高内聚低耦合前提下，线程操作资源类* 2.判断/干活/通知* 3.防止虚假唤醒(判断只能用while，不能用if)* 知识小总结：多线程编程套路+while判断+新版写法*/
public class ProdConsumerDemo {public static void main(String[] args) {Aircondition aircondition = new Aircondition();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 10; i++) {try {aircondition.increment();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}, "A").start();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 5; i++) {try {aircondition.decrement();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}, "B").start();}
}
class Aircondition {private int number = 0;//⽼版写法public synchronized void increment() throws Exception {//1.判断if (number != 0) {this.wait();}//2.⼲活number++;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + number);//3通知this.notifyAll();}public synchronized void decrement() throws Exception {//1.判断if (number == 0) {this.wait();}//2.⼲活number--;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + number);//3通知this.notifyAll();}
}

结果

案例问题—防止虚假唤醒

上述我们只用了一个线程作为生产者，一个线程作为消费者，我们用多个来进行测试。防止虚假唤醒(判断只能用while，不能用if)

while循环与if判断
while是循环语句，当满足条件时执行语句，执行完循环以后再回来判断是否满足，满足继续执行，然后继续判断，不满足直接执行下面的语句
if是判断语句，满足条件就行，执行完以后继续执行下面的语句，不会再回来判断执行。

A线程生产包子，B线程消费包子，C线程生产包子，D线程消费包子

public class ProdConsumerDemo {public static void main(String[] args) {Aircondition aircondition = new Aircondition();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 10; i++) {try {aircondition.increment();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}, "A").start();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 5; i++) {try {aircondition.decrement();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}, "B").start();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 10; i++) {try {aircondition.increment();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}, "C").start();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 10; i++) {try {aircondition.decrement();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}, "D").start();}
}

Aircondition

class Aircondition {private int number = 0;//⽼版写法public synchronized void increment() throws Exception {//1.判断while (number != 0) {this.wait();}//2.⼲活number++;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + number);//3通知this.notifyAll();}public synchronized void decrement() throws Exception {//1.判断while (number == 0) {this.wait();}//2.⼲活number--;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + number);//3通知this.notifyAll();}
}

2.2.⽣产者消费者防⽌虚假唤醒

2.2.1 新版⽣产者消费者写法 ReentrantLock.Condition

Synchronized用在多线程中太重了，在高并发场景使用lock方式更加合适。所以我们使用lock来加锁和解锁。对应的等待和唤醒线程方法也换成java.util.concurrent.locks下面的newCondition方法。

案例代码

class Aircondition{private int number = 0;private Lock lock = new ReentrantLock();private Condition condition = lock.newCondition();//新版写法public void increment() throws Exception{lock.lock();try{//1.判断while (number != 0){condition.await();}//2.干活number++;System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+number);//3通知condition.signalAll();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}public void decrement() throws Exception{lock.lock();try{//1.判断while (number == 0){condition.await();}//2.干活number--;System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+number);//3通知condition.signalAll();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}
}public class ProdConsumerDemo {public static void main(String[] args) {Aircondition aircondition = new Aircondition();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 10; i++) {try {aircondition.increment();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}, "A").start();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 5; i++) {try {aircondition.decrement();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}, "B").start();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 10; i++) {try {aircondition.increment();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}, "C").start();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 10; i++) {try {aircondition.decrement();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}, "D").start();}
}

2.2.2精准通知顺序访问

现在有这样一个需求：

备注：多线程之间按顺序调用，实现A->B->C
三个线程启动，要求如下：
A打印5次，B打印10次，C打印15次
接着
A打印5次，B打印10次，C打印15次
来10轮
1.高内聚低耦合前提下，线程操作资源类
2.判断/干活/通知
3.多线程交互中，防止虚假唤醒(判断只能用while，不能用if)
4.标志位

案例代码

class ShareData{private int number = 1;//A:1,B:2,C:3private Lock lock = new ReentrantLock();private Condition c1 = lock.newCondition();private Condition c2 = lock.newCondition();private Condition c3 = lock.newCondition();public void printc1(){lock.lock();try {//1.判断while (number != 1){c1.await();}//2.干活for (int i = 1; i <= 5; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+i);}//3.通知number = 2;//通知第2个c2.signal();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}public void printc2(){lock.lock();try {//1.判断while (number != 2){c2.await();}//2.干活for (int i = 1; i <= 10; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+i);}//3.通知number = 3;//如何通知第3个c3.signal();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}public void printc3(){lock.lock();try {//1.判断while (number != 3){c3.await();}//2.干活for (int i = 1; i <= 15; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+i);}//3.通知number = 1;//如何通知第1个c1.signal();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}
}/*** 备注：多线程之间按顺序调用，实现A->B->C* 三个线程启动，要求如下：* A打印5次，B打印10次，C打印15次* 接着* A打印5次，B打印10次，C打印15次* 来10轮*      1.高内聚低耦合前提下，线程操作资源类*      2.判断/干活/通知*      3.多线程交互中，防止虚假唤醒(判断只能用while，不能用if)*      4.标志位*/
public class ConditionDemo {public static void main(String[] args) {ShareData shareData = new ShareData();new Thread(()->{for (int i = 1; i <= 10; i++) {shareData.printc1();}},"A").start();new Thread(()->{for (int i = 1; i <= 10; i++) {shareData.printc2();}},"B").start();new Thread(()->{for (int i = 1; i <= 10; i++) {shareData.printc3();}},"C").start();}
}

结果

结果分析

2.3.Synchronized和Lock的区别

synchronized关键字和 java.util.concurrent.locks.Lock都能加锁，两者有什么区别呢？

1. 原始构成： sync是JVM层⾯的，底层通过monitorenter和monitorexit来实现的。 Lock是
   JDK API层⾯的。（ sync⼀个enter会有两个exit，⼀个是正常退出，⼀个是异常退出）
2. 使⽤⽅法： sync不需要⼿动释放锁，⽽ Lock需要⼿动释放。
3. 是否可中断： sync不可中断，除⾮抛出异常或者正常运⾏完成。 Lock是可中断的，通过调
   ⽤ interrupt()⽅法。
4. 是否为公平锁： sync只能是⾮公平锁，⽽ Lock既能是公平锁，⼜能是⾮公平锁。
5. 绑定多个条件： sync不能，只能随机唤醒。⽽ Lock可以通过 Condition来绑定多个条件，精确唤醒。

2.4. 阻塞队列模式⽣产者消费者

为什么需要BlockingQueue？

好处是我们不需要关⼼什么时候需要阻塞线程，什么时候需要唤醒线程，因为这⼀切BlockingQueue都
给你⼀⼿包办好了，使⽤阻塞队列 后就不需要⼿动加锁了。
在Concurrent包发布以前，在多线程环境下，我们每个程序员都必须去⾃⼰控制这些细节，尤其还要兼
顾效率和线程安全，⽽这会给我们的程序带来不⼩的复杂度。

案例代码

public class ProdConsBlockQueueDemo {public static void main(String[] args) {MyResource myResource = new MyResource(new ArrayBlockingQueue<>(5));new Thread(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t生产线程启动");try {myResource.myProd();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}, "prod").start();new Thread(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t生产线程启动");try {myResource.myProd();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}, "prod-2").start();new Thread(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t消费线程启动");try {myResource.myCons();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}, "cons").start();new Thread(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t消费线程启动");try {myResource.myCons();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}, "cons-2").start();try {TimeUnit.SECONDS.sleep(5);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}System.out.println("5秒钟后，叫停");myResource.stop();}
}class MyResource {// 定义成volatile类型，线程间可见 默认开启，进行生产+消费private volatile boolean FLAG = true;//定义原子Integer类型保证原子性private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();private BlockingQueue<String> blockingQueue;public MyResource(BlockingQueue<String> blockingQueue) {this.blockingQueue = blockingQueue;System.out.println(blockingQueue.getClass().getName());}public void myProd() throws Exception {String data = null;boolean retValue;while (FLAG) {data = atomicInteger.incrementAndGet() + "";//++iretValue = blockingQueue.offer(data, 2L, TimeUnit.SECONDS);if (retValue) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "插入队列" + data + "成功");} else {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "插入队列" + data + "失败");}TimeUnit.SECONDS.sleep(1);}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t老板叫停了，FLAG已更新为false，停止生产");}public void myCons() throws Exception {String res;while (FLAG) {res = blockingQueue.poll(2L, TimeUnit.SECONDS);if (null == res || "".equals(res)) {// FLAG = false;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t超过2秒钟没有消费，退出消费");return;}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t\t消费队列" + res + "成功");}}public void stop() {this.FLAG = false;}
}

结果分析