在Java并发编程中,ArrayBlockingQueue
是一个非常常用的工具类。它是一个由数组支持的有界阻塞队列,提供了线程安全的队列操作。
1.ArrayBlockingQueue概述
ArrayBlockingQueue
是一个基于数组实现的阻塞队列,它继承自AbstractQueue
并实现了BlockingQueue
接口。这个队列在创建时需要指定一个固定的大小,之后这个大小就不能再改变了。当队列满时,如果再有新的元素试图加入队列,那么这个操作会被阻塞;同样地,如果队列为空,那么从队列中取元素的操作也会被阻塞。这种特性使得ArrayBlockingQueue
非常适合作为生产者-消费者模式中的缓冲区。
2.ArrayBlockingQueue的核心特性
2.1.线程安全性
ArrayBlockingQueue
是线程安全的,它通过内部锁机制保证了在多线程环境下的安全性。因此,在多线程环境中,你可以放心地使用它而不需要担心数据的一致性问题。
2.2.阻塞控制
ArrayBlockingQueue
提供了阻塞控制机制。当队列满时,尝试向队列中添加元素的线程会被阻塞,直到队列中有空间可用;同样,当队列为空时,尝试从队列中取出元素的线程也会被阻塞,直到队列中有元素可供消费。这种机制可以有效地控制生产者和消费者的速度,避免资源的浪费。
2.3.有界性
ArrayBlockingQueue
的有界性可以防止队列无限制地增长,从而避免内存溢出。在实际应用中,这种有界性可以作为系统的一个流量控制阀,当系统过载时,通过阻塞或拒绝请求来保护系统。
3.ArrayBlockingQueue的使用
3.1.创建ArrayBlockingQueue
创建一个ArrayBlockingQueue
非常简单,只需要指定队列的大小即可:
int queueSize = 10; BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(queueSize);
3.2.生产者-消费者模式
ArrayBlockingQueue
常用于生产者-消费者模式。生产者负责生成数据并添加到队列中,而消费者则从队列中取出数据并处理。下面是一个简单的生产者-消费者示例:
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; import java.util.concurrent.BlockingQueue; public class ProducerConsumerExample { public static void main(String[] args) { BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(5); Thread producer = new Thread(() -> { for (int i = 0; i { while (true) { try { Integer data = queue.take(); System.out.println("消费者消费了数据:" + data); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }); producer.start(); consumer.start(); } }
运行结果:
生产者生产了数据:0
消费者消费了数据:0
生产者生产了数据:1
消费者消费了数据:1
生产者生产了数据:2
消费者消费了数据:2
生产者生产了数据:3
消费者消费了数据:3
生产者生产了数据:4
消费者消费了数据:4
生产者生产了数据:5
消费者消费了数据:5
生产者生产了数据:6
消费者消费了数据:6
生产者生产了数据:7
消费者消费了数据:7
生产者生产了数据:8
消费者消费了数据:8
生产者生产了数据:9
消费者消费了数据:9
在这个示例中,我们创建了一个大小为5的ArrayBlockingQueue
,然后启动了一个生产者线程和一个消费者线程。生产者线程会生成10个数据,并尝试将它们添加到队列中;消费者线程则会不断地从队列中取出数据并处理。由于队列的大小只有5,因此当生产者生产了5个数据后,它会被阻塞,直到消费者消费了一些数据释放出空间。同样地,当队列为空时,消费者线程也会被阻塞,直到生产者生产了新的数据。
4.ArrayBlockingQueue的最佳实践
4.1.选择合适的队列大小
队列的大小应根据具体的应用场景来设置。如果设置得太小,可能会导致频繁的阻塞和上下文切换,影响性能;如果设置得太大,可能会浪费内存资源。因此,在选择队列大小时,需要综合考虑系统的负载、内存资源和性能要求等因素。
4.2.合理使用阻塞方法
ArrayBlockingQueue
提供了多种阻塞方法,如put
、take
、offer
和poll
等。在使用这些方法时,需要根据具体的需求来选择合适的方法。例如,如果你希望当队列满时生产者线程能够阻塞等待空间可用,那么可以使用put
方法;如果你希望生产者线程在队列满时能够立即返回并做其他处理,那么可以使用offer
方法。
4.3.避免死锁
在使用ArrayBlockingQueue
时,需要注意避免死锁的发生。例如,不要在持有其他锁的情况下调用ArrayBlockingQueue
的阻塞方法,否则可能会导致死锁。此外,还需要注意避免循环等待和饥饿等问题。
4.4.考虑使用公平策略
ArrayBlockingQueue
的构造函数允许指定一个公平性参数。如果设置为true,等待时间最长的线程将优先获得访问队列的机会。但需要注意的是,公平性可能会降低性能。因此,在决定是否使用公平策略时,需要综合考虑系统的性能和公平性要求。
5.源码详解
5.1.主要属性
// 用于存储队列元素的数组 final Object[] items; // 队列的容量 int count; // 控制并发访问的锁 final ReentrantLock lock; // 队列不满时的等待条件 private final Condition notFull; // 队列不为空时的等待条件 private final Condition notEmpty; // 队列中等待取数据的线程数 final AtomicInteger waitingConsumers = new AtomicInteger(); // 队列中等待插入数据的线程数 final AtomicInteger waitingProducers = new AtomicInteger();
5.2.构造函数
ArrayBlockingQueue
提供了几种构造函数,其中最基本的两个是接受队列容量和指定是否公平的构造函数。
public ArrayBlockingQueue(int capacity) { this(capacity, false); } public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) { if (capacity
5.3.入队操作
put(E e)
和 offer(E e)
是两种入队操作,其中 put
方法在队列满时会阻塞,而 offer
方法在队列满时会立即返回失败或者根据提供的超时时间等待。
public void put(E e) throws InterruptedException { checkNotNull(e); final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == items.length) notFull.await(); enqueue(e); } finally { lock.unlock(); } } public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { checkNotNull(e); long nanos = unit.toNanos(timeout); final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == items.length) { if (nanos
5.4.出队操作
take()
和 poll()
是两种出队操作,其中 take
方法在队列空时会阻塞,而 poll
方法在队列空时会立即返回 null
或者根据提供的超时时间等待。
public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == 0) notEmpty.await(); return dequeue(); } finally { lock.unlock(); } } public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { long nanos = unit.toNanos(timeout); final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == 0) { if (nanos
6.总结
ArrayBlockingQueue
是Java并发编程中一个非常实用的工具类。它提供了线程安全的阻塞队列实现,支持生产者-消费者模式,并允许通过队列的大小来控制系统的流量。在使用ArrayBlockingQueue
时,需要注意选择合适的队列大小、合理使用阻塞方法、避免死锁和考虑使用公平策略等问题。通过合理地使用ArrayBlockingQueue
,可以有效地提高系统的并发性能和稳定性。
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