还不了解Java的五大BlockingQueue阻塞队列源码,看这篇文章就够了

2024年 2月 20日 99.2k 0

引言

最近一个月一直在更新《解读Java源码专栏》,其中跟大家一起剖析了Java的常见的5种BlockingQueue(阻塞队列),今天就盘点一下这几种阻塞队列的优缺点、区别,以及应用场景。

常见的BlockingQueue有以下5种,下面会详细介绍。

  • ArrayBlockingQueue

基于数组实现的阻塞队列,创建队列时需指定容量大小,是有界队列。

  • LinkedBlockingQueue

基于链表实现的阻塞队列,默认是无界队列,创建可以指定容量大小

  • SynchronousQueue

一种没有缓冲的阻塞队列,生产出的数据需要立刻被消费

  • PriorityBlockingQueue

实现了优先级的阻塞队列,可以按照元素大小排序,是无界队列

  • DelayQueue

实现了延迟功能的阻塞队列,基于PriorityQueue实现的,是无界队列

BlockingQueue简介

这几种阻塞队列都是实现了BlockingQueue接口,在日常开发中,我们好像很少用到BlockingQueue(阻塞队列),BlockingQueue到底有什么作用?应用场景是什么样的?

如果使用过线程池或者阅读过线程池源码,就会知道线程池的核心功能都是基于BlockingQueue实现的。

大家用过消息队列(MessageQueue),就知道消息队列作用是解耦、异步、削峰。同样BlockingQueue的作用也是这三种,区别是BlockingQueue只作用于本机器,而消息队列相当于分布式BlockingQueue。

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BlockingQueue作为阻塞队列,主要应用于生产者-消费者模式的场景,在并发多线程中尤其常用。

  • 比如像线程池中的任务调度场景,提交任务和拉取并执行任务。
  • 生产者与消费者解耦的场景,生产者把数据放到队列中,消费者从队列中取数据进行消费。两者进行解耦,不用感知对方的存在。
  • 应对突发流量的场景,业务高峰期突然来了很多请求,可以放到队列中缓存起来,消费者以正常的频率从队列中拉取并消费数据,起到削峰的作用。
  • BlockingQueue是个接口,定义了几组放数据和取数据的方法,来满足不同的场景。

    操作

    抛出异常

    返回特定值

    阻塞

    阻塞一段时间

    放数据

    add()

    offer()

    put()

    offer(e, time, unit)

    取数据(同时删除数据)

    remove()

    poll()

    take()

    poll(time, unit)

    取数据(不删除)

    element()

    peek()

    不支持

    不支持

    这四组方法的区别是:

  • 当队列满的时候,再次添加数据,add()会抛出异常,offer()会返回false,put()会一直阻塞,offer(e, time, unit)会阻塞指定时间,然后返回false。
  • 当队列为空的时候,再次取数据,remove()会抛出异常,poll()会返回null,take()会一直阻塞,poll(time, unit)会阻塞指定时间,然后返回null。
  • ArrayBlockingQueue

  • ArrayBlockingQueue底层基于数组实现,采用循环数组,提升了数组的空间利用率。
  • ArrayBlockingQueue初始化的时候,必须指定队列长度,是有界的阻塞队列,所以要预估好队列长度,保证生产者和消费者速率相匹配。
  • ArrayBlockingQueue的方法是线程安全的,使用ReentrantLock在操作前后加锁来保证线程安全。
  • LinkedBlockingQueue

  • LinkedBlockingQueue底层基于链表实现,支持从头部弹出数据,从尾部添加数据。
  • LinkedBlockingQueue初始化的时候,如果不指定队列长度,默认长度是Integer最大值,相当于无界队列,有内存溢出风险,建议初始化的时候指定队列长度。
  • LinkedBlockingQueue的方法是线程安全的,分别使用了读写两把锁,比ArrayBlockingQueue性能更好。
  • 与ArrayBlockingQueue区别是:

  • 底层结构不同,ArrayBlockingQueue底层基于数组实现,初始化的时候必须指定数组长度,无法扩容。LinkedBlockingQueue底层基于链表实现,链表最大长度是Integer最大值。
  • 占用内存大小不同,ArrayBlockingQueue一旦初始化,数组长度就确定了,不会随着元素增加而改变。LinkedBlockingQueue会随着元素越多,链表越长,占用内存越大。
  • 性能不同,ArrayBlockingQueue的入队和出队共用一把锁,并发较低。LinkedBlockingQueue入队和出队使用两把独立的锁,并发情况下性能更高。
  • 公平锁选项,ArrayBlockingQueue初始化的时候,可以指定使用公平锁或者非公平锁,公平锁模式下,可以按照线程等待的顺序来操作队列。LinkedBlockingQueue只支持非公平锁。
  • 适用场景不同,ArrayBlockingQueue适用于明确限制队列大小的场景,防止生产速度大于消费速度的时候,造成内存溢出、资源耗尽。LinkedBlockingQueue适用于业务高峰期可以自动扩展消费速度的场景。
  • SynchronousQueue

    无论是ArrayBlockingQueue还是LinkedBlockingQueue都是起到缓冲队列的作用,当消费者的消费速度跟不上时,任务就在队列中堆积,需要等待消费者慢慢消费。

    如果我们想要自己的任务快速执行,不要积压在队列中,该怎么办?这时候就可以使用SynchronousQueue了。

    SynchronousQueue被称为同步队列,当生产者往队列中放元素的时候,必须等待消费者把这个元素取走,否则一直阻塞。消费者取元素的时候,同理也必须等待生产者放队列中放元素。

  • SynchronousQueue底层有两种实现方式,分别是基于栈实现非公平策略,以及基于队列实现的公平策略。
  • SynchronousQueue初始化的时候,可以指定使用公平策略还是非公平策略。
  • SynchronousQueue不存储元素,不适合作为缓存队列使用。适用于生产者与消费者速度相匹配的场景,可减少任务执行的等待时间。
  • PriorityBlockingQueue

    由于PriorityQueue跟前几个阻塞队列不一样,并没有实现BlockingQueue接口,只是实现了Queue接口,所以PriorityQueue并不算阻塞队列。Queue接口中定义了几组放数据和取数据的方法,来满足不同的场景。

  • PriorityQueue实现了Queue接口,提供了两组放数据和读数据的方法,来满足不同的场景。
  • PriorityQueue底层基于数组实现,实现了按照元素值大小排序的功能,内部按照最小堆存储,实现了高效的插入和删除。
  • PriorityQueue初始化的时候,可以指定数组长度和自定义比较器。
  • PriorityQueue初始容量是11,当数组容量小于64,采用2倍扩容,否则采用1.5扩容。
  • PriorityQueue每次都是从数组头节点取元素,取之后需要调整最小堆。
  • DelayQueue

    DelayQueue是一种本地延迟队列,比如希望我们的任务在5秒后执行,就可以使用DelayQueue实现。常见的使用场景有:

    • 订单10分钟内未支付,就取消。
    • 缓存过期后,就删除。
    • 消息的延迟发送等。
  • DelayQueue底层采用组合的方式,复用PriorityQueue的按照延迟时间排序任务的功能,实现了延迟队列。
  • DelayQueue是线程安全的,内部使用ReentrantLock加锁。
  • 总结

    这5种阻塞队列的特性各不相同,在使用的时候该怎么选择呢?我做了一张图,供大家参考。

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