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Java BlockingQueue的阻塞机制分析

2021-10-113.1k 阅读

Java BlockingQueue 简介

在多线程编程的复杂领域中，Java 的 BlockingQueue 作为一个重要工具，扮演着数据共享与线程同步的关键角色。BlockingQueue 是 Queue 接口的子接口，它提供了在多线程环境下处理数据缓冲与线程协作的有效方式。

从定义上看，BlockingQueue 具有两个主要特性：当队列满时，往队列中添加元素的操作会被阻塞，直到队列有空间可用；当队列空时，从队列中获取元素的操作会被阻塞，直到队列中有元素可供获取。这种阻塞机制使得 BlockingQueue 在生产者 - 消费者模型等场景中能够自然地实现线程间的协调与同步。

Java 提供了多种 BlockingQueue 的实现类，比如 ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、SynchronousQueue 等。每个实现类都有其独特的特性和适用场景，但它们都基于 BlockingQueue 接口所定义的阻塞行为。

阻塞机制的底层实现原理

基于锁与条件变量的实现

在 Java 中，BlockingQueue 的阻塞机制大多是基于 ReentrantLock 和 Condition 来实现的。ReentrantLock 提供了可重入的互斥锁，用于保护共享资源，而 Condition 则是在锁的基础上实现了线程的等待与唤醒机制。

以 ArrayBlockingQueue 为例，它内部使用一个数组来存储元素，同时使用 ReentrantLock 来保证对数组操作的线程安全。在 ArrayBlockingQueue 中有两个 Condition 对象：notEmpty 和 notFull。notEmpty 用于唤醒因队列空而等待获取元素的线程，notFull 用于唤醒因队列满而等待添加元素的线程。

当调用 put(E e) 方法往队列中添加元素时，如果队列已满，当前线程会调用 notFull.await() 方法进入等待状态，同时释放 ReentrantLock。当其他线程从队列中取出元素导致队列有空间时，会调用 notFull.signal() 方法唤醒等待在 notFull 条件上的线程。被唤醒的线程重新获取锁后，继续执行添加元素的操作。

类似地，take() 方法用于从队列中获取元素。如果队列空，当前线程会调用 notEmpty.await() 进入等待状态，释放锁。当其他线程往队列中添加元素导致队列不为空时，会调用 notEmpty.signal() 唤醒等待在 notEmpty 条件上的线程，该线程重新获取锁后，执行获取元素的操作。

基于 CAS（Compare - And - Swap）的实现

除了基于锁和条件变量的实现方式，部分 BlockingQueue 实现还会使用 CAS 操作来实现无锁的并发控制。例如，ConcurrentLinkedQueue 虽然不是严格意义上的 BlockingQueue，但它的实现思想对理解 BlockingQueue 的无锁实现有借鉴意义。

CAS 操作是一种乐观锁机制，它尝试将内存中的值与预期值进行比较，如果相等则将其更新为新值。在无锁队列中，通过 CAS 操作可以在不使用锁的情况下实现对队列节点的原子性添加和删除操作。

在 BlockingQueue 的一些实现中，可能会结合 CAS 和其他同步机制来提高性能。比如，在一些高并发场景下，对于一些简单的操作可以先尝试使用 CAS 进行无锁操作，如果失败再使用传统的锁机制，这样可以在一定程度上减少锁竞争带来的开销。

不同 BlockingQueue 实现类的阻塞机制特点

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue 是一个基于数组实现的有界阻塞队列。它的容量在创建时就被确定，且不可改变。

在阻塞机制方面，ArrayBlockingQueue 使用 ReentrantLock 和两个 Condition 对象（notEmpty 和 notFull）来实现阻塞。如前文所述，put 方法在队列满时会阻塞，take 方法在队列空时会阻塞。

以下是 ArrayBlockingQueue 的简单使用示例：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

public class ArrayBlockingQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个容量为 3 的 ArrayBlockingQueue
        BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);

        Thread producer = new Thread(() -> {
            try {
                queue.put(1);
                System.out.println("Produced: 1");
                queue.put(2);
                System.out.println("Produced: 2");
                queue.put(3);
                System.out.println("Produced: 3");
                // 此时队列已满，put 操作会阻塞
                queue.put(4);
                System.out.println("Produced: 4");
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000); // 等待生产者生产一些元素
                System.out.println("Consumed: " + queue.take());
                System.out.println("Consumed: " + queue.take());
                System.out.println("Consumed: " + queue.take());
                // 此时队列已空，take 操作会阻塞
                System.out.println("Consumed: " + queue.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

        producer.start();
        consumer.start();

        try {
            producer.join();
            consumer.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

在这个示例中，生产者线程往 ArrayBlockingQueue 中添加元素，当队列满时，put 操作会阻塞。消费者线程从队列中取出元素，当队列空时，take 操作会阻塞。

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue 是一个基于链表实现的阻塞队列，它可以是有界的，也可以是无界的（默认是无界的，即容量为 Integer.MAX_VALUE）。

它同样使用 ReentrantLock 和 Condition 来实现阻塞机制。与 ArrayBlockingQueue 不同的是，LinkedBlockingQueue 在添加和删除元素时，通过链表节点的操作来实现，而不是像 ArrayBlockingQueue 那样基于数组的索引操作。

LinkedBlockingQueue 的 put 方法在队列满（如果是有界队列）时会阻塞，take 方法在队列空时会阻塞。由于其链表结构的特点，在高并发场景下，LinkedBlockingQueue 可能比 ArrayBlockingQueue 具有更好的性能，因为链表的插入和删除操作不需要像数组那样进行大量的数据移动。

以下是 LinkedBlockingQueue 的使用示例：

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

public class LinkedBlockingQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个容量为 3 的 LinkedBlockingQueue
        BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>(3);

        Thread producer = new Thread(() -> {
            try {
                queue.put(1);
                System.out.println("Produced: 1");
                queue.put(2);
                System.out.println("Produced: 2");
                queue.put(3);
                System.out.println("Produced: 3");
                // 此时队列已满，put 操作会阻塞
                queue.put(4);
                System.out.println("Produced: 4");
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000); // 等待生产者生产一些元素
                System.out.println("Consumed: " + queue.take());
                System.out.println("Consumed: " + queue.take());
                System.out.println("Consumed: " + queue.take());
                // 此时队列已空，take 操作会阻塞
                System.out.println("Consumed: " + queue.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

        producer.start();
        consumer.start();

        try {
            producer.join();
            consumer.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

这个示例与 ArrayBlockingQueue 的示例类似，只是使用了 LinkedBlockingQueue，展示了其阻塞特性。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue 是一个无界的阻塞队列，它按照元素的自然顺序或者自定义的比较器顺序对元素进行排序。

PriorityBlockingQueue 的阻塞机制与前面介绍的有所不同。它内部使用一个堆数据结构来存储元素，在添加元素时，会将元素插入堆中并调整堆结构以保持堆序。在获取元素时，总是获取堆顶元素（即优先级最高的元素）。

PriorityBlockingQueue 的 take 方法在队列空时会阻塞，而 put 方法不会阻塞，因为它是无界队列，总是可以添加元素。但是在添加元素时，需要对堆进行调整操作，这可能会涉及到同步操作。

以下是 PriorityBlockingQueue 的使用示例：

import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

public class PriorityBlockingQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Integer> queue = new PriorityBlockingQueue<>();

        Thread producer = new Thread(() -> {
            queue.add(3);
            System.out.println("Produced: 3");
            queue.add(1);
            System.out.println("Produced: 1");
            queue.add(2);
            System.out.println("Produced: 2");
        });

        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000); // 等待生产者生产一些元素
                System.out.println("Consumed: " + queue.take());
                System.out.println("Consumed: " + queue.take());
                System.out.println("Consumed: " + queue.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

        producer.start();
        consumer.start();

        try {
            producer.join();
            consumer.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

在这个示例中，生产者线程往 PriorityBlockingQueue 中添加元素，消费者线程从队列中取出元素。由于 PriorityBlockingQueue 会对元素进行排序，所以消费者取出元素的顺序是按照元素的自然顺序（从小到大）。

SynchronousQueue

SynchronousQueue 是一个特殊的阻塞队列，它不存储任何元素。每个插入操作必须等待另一个线程的移除操作，反之亦然。

SynchronousQueue 的阻塞机制基于一种“握手”的方式。当一个线程调用 put 方法时，如果没有其他线程正在调用 take 方法，当前线程会被阻塞，直到有线程调用 take 方法来获取该元素。同样，当一个线程调用 take 方法时，如果没有其他线程正在调用 put 方法，当前线程会被阻塞，直到有线程调用 put 方法来提供元素。

以下是 SynchronousQueue 的使用示例：

import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

public class SynchronousQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>();

        Thread producer = new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println("Trying to put 1");
                queue.put(1);
                System.out.println("Put 1");
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000); // 等待生产者尝试 put 操作
                System.out.println("Trying to take");
                System.out.println("Took: " + queue.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

        producer.start();
        consumer.start();

        try {
            producer.join();
            consumer.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

在这个示例中，生产者线程调用 put 方法后会阻塞，直到消费者线程调用 take 方法。消费者线程调用 take 方法后也会阻塞，直到生产者线程调用 put 方法。

BlockingQueue 在生产者 - 消费者模型中的应用

传统生产者 - 消费者模型

生产者 - 消费者模型是多线程编程中的经典模型，它描述了生产者线程生成数据并将其放入队列，消费者线程从队列中取出数据进行处理的过程。BlockingQueue 天然适用于实现这种模型，因为它的阻塞机制可以有效地协调生产者和消费者线程的工作。

以下是一个使用 BlockingQueue 实现的传统生产者 - 消费者模型示例：

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

class Producer implements Runnable {
    private final BlockingQueue<Integer> queue;

    public Producer(BlockingQueue<Integer> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                queue.put(i);
                System.out.println("Produced: " + i);
                Thread.sleep(1000);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

class Consumer implements Runnable {
    private final BlockingQueue<Integer> queue;

    public Consumer(BlockingQueue<Integer> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                Integer item = queue.take();
                System.out.println("Consumed: " + item);
                Thread.sleep(1500);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

public class ProducerConsumerExample {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>(5);
        Thread producerThread = new Thread(new Producer(queue));
        Thread consumerThread = new Thread(new Consumer(queue));

        producerThread.start();
        consumerThread.start();

        try {
            producerThread.join();
            consumerThread.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

在这个示例中，生产者线程不断生成整数并放入 BlockingQueue 中，消费者线程从队列中取出整数并进行处理。BlockingQueue 的阻塞机制确保了生产者不会在队列满时继续添加元素，消费者也不会在队列空时尝试获取元素。

多生产者 - 多消费者模型

在实际应用中，往往会遇到多生产者 - 多消费者的场景。BlockingQueue 同样能够很好地支持这种场景。

以下是一个多生产者 - 多消费者模型的示例：

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

class MultiProducer implements Runnable {
    private final BlockingQueue<Integer> queue;
    private final int producerId;

    public MultiProducer(BlockingQueue<Integer> queue, int producerId) {
        this.queue = queue;
        this.producerId = producerId;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                int item = producerId * 10 + i;
                queue.put(item);
                System.out.println("Producer " + producerId + " produced: " + item);
                Thread.sleep(1000);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

class MultiConsumer implements Runnable {
    private final BlockingQueue<Integer> queue;
    private final int consumerId;

    public MultiConsumer(BlockingQueue<Integer> queue, int consumerId) {
        this.queue = queue;
        this.consumerId = consumerId;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                Integer item = queue.take();
                System.out.println("Consumer " + consumerId + " consumed: " + item);
                Thread.sleep(1500);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

public class MultiProducerConsumerExample {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>(10);
        Thread producer1 = new Thread(new MultiProducer(queue, 1));
        Thread producer2 = new Thread(new MultiProducer(queue, 2));
        Thread consumer1 = new Thread(new MultiConsumer(queue, 1));
        Thread consumer2 = new Thread(new MultiConsumer(queue, 2));

        producer1.start();
        producer2.start();
        consumer1.start();
        consumer2.start();

        try {
            producer1.join();
            producer2.join();
            consumer1.join();
            consumer2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

在这个示例中，有两个生产者线程和两个消费者线程。生产者线程分别生成不同范围的整数并放入 BlockingQueue 中，消费者线程从队列中取出整数并进行处理。BlockingQueue 的阻塞机制有效地协调了多个生产者和消费者之间的并发操作，保证了数据的正确处理。

BlockingQueue 阻塞机制的性能优化

选择合适的 BlockingQueue 实现类

不同的 BlockingQueue 实现类在性能上有差异，根据应用场景选择合适的实现类至关重要。

在高并发写入且队列容量固定的场景下，ArrayBlockingQueue 可能是一个不错的选择，因为它基于数组的结构在写入操作上有较好的性能，并且通过合理设置锁的公平性可以控制线程的竞争。

对于高并发读写且队列长度可能变化较大的场景，LinkedBlockingQueue 可能更合适，其链表结构使得插入和删除操作相对高效，并且可以通过设置有界或无界来适应不同的需求。

如果需要按照元素优先级进行处理，PriorityBlockingQueue 是必然选择，但要注意其堆调整操作可能带来的性能开销。

而在需要线程间快速传递数据，不希望有数据缓冲的场景下，SynchronousQueue 是最佳选择，它可以避免数据在队列中的存储开销。

减少锁竞争

在 BlockingQueue 的实现中，锁竞争是影响性能的一个重要因素。可以通过以下几种方式减少锁竞争：

  1. 使用无锁数据结构：如前文提到的，部分 BlockingQueue 实现可以结合 CAS 操作实现无锁的并发控制。对于一些简单的操作，先尝试使用 CAS 进行无锁操作，减少锁的使用频率。
  2. 分段锁：虽然 BlockingQueue 没有直接采用分段锁的方式，但在一些自定义的基于队列的数据结构中，可以借鉴分段锁的思想。将队列分成多个段，每个段使用独立的锁进行保护，这样不同段的操作可以并行进行，减少锁竞争。
  3. 读写分离锁：如果队列的操作主要是读多写少，可以考虑使用读写分离锁。读操作可以共享锁，写操作使用独占锁，这样可以提高读操作的并发性能。

合理设置队列容量

队列容量的设置对 BlockingQueue 的性能也有影响。对于有界队列，如果容量设置过小，可能导致生产者线程频繁阻塞，降低生产效率；如果容量设置过大，可能会占用过多的内存，并且在队列满时消费者处理不及时，会导致数据积压。

在实际应用中，需要根据生产者和消费者的处理速度、数据量等因素，合理设置队列容量。可以通过性能测试和监控来调整队列容量，以达到最佳的性能表现。

总结与展望

Java 的 BlockingQueue 以其强大的阻塞机制，为多线程编程中的数据共享与线程同步提供了可靠的解决方案。不同的 BlockingQueue 实现类在阻塞机制和适用场景上各有特点，深入理解它们的原理和特性，能够帮助开发者在实际项目中选择最合适的工具。

通过优化 BlockingQueue 的阻塞机制，如选择合适的实现类、减少锁竞争和合理设置队列容量等，可以显著提高多线程应用的性能。随着硬件技术的发展和多核心处理器的普及，多线程编程的需求将持续增长，BlockingQueue 作为多线程编程的重要组件，其性能优化和功能扩展也将不断演进。未来，我们可以期待看到更多基于新的硬件特性和算法的 BlockingQueue 实现，以更好地满足日益复杂的多线程应用场景的需求。同时，对于 BlockingQueue 在分布式系统、大数据处理等领域的应用研究也将不断深入，为这些领域的发展提供更强大的支持。