Java阻塞隊列的實現(xiàn)及應用

更新時間：2021年10月18日 16:58:46 作者：小玄ｋｓ

這篇文章主要介紹了剖析Java中阻塞隊列的實現(xiàn)原理及應用場景,這里也對阻塞和非阻塞隊列的不同之處進行了對比,需要的朋友可以參考下

1.手寫生產(chǎn)者消費者模型

所謂生產(chǎn)者消費者模型，可以用我們生活中的例子來類比：我去一個小攤兒買吃的，老板把已經(jīng)做好的小吃都放在擺盤上，供我挑選。那么，老板就是生產(chǎn)者；我就是消費者；擺盤就是阻塞隊列，用來當做生產(chǎn)與消費的緩沖區(qū)。因此，阻塞隊列在生產(chǎn)者與消費者模型中起著至關重要的緩沖作用。

此次先演示如何手寫阻塞隊列（也可以使用Java庫中自帶的阻塞隊列）。

手寫的阻塞隊列只實現(xiàn)最基礎的兩個功能：入隊和出隊。之所以叫阻塞隊列，是因為當隊空或者隊滿的時候，都要實現(xiàn)阻塞，直到隊中不空或不滿的時候，才會取消阻塞。

手寫阻塞隊列實現(xiàn)如下：

//阻塞隊列BlockQueue
static class BlockQueue{
    //該隊列用一個數(shù)組來實現(xiàn)，我們讓此隊列的最大容量為10
        private int[] items = new int[10];
        private int head = 0;
        private int tail = 0;
        private int size = 0;
        private Object locker =new Object();
        //入隊
        public void put(int item) throws InterruptedException {
            synchronized(locker) {
                while (size == items.length) {
                    //入隊時，若隊滿，阻塞
                    locker.wait();
                }
                items[tail++] = item;
                //如果到達末尾，重回隊首（實現(xiàn)循環(huán)隊列）
                if (tail >= items.length) {
                    tail = 0;
                }
                size++;
                locker.notify();
            }
        }
        //出隊
        public int back() throws InterruptedException {
            int ret = 0;
            synchronized (locker) {
                while (size == 0) {
                    //出隊時，若隊空，阻塞
                    locker.wait();
                }
                ret = items[head++];
                if (head >= items.length) {
                    head = 0;
                }
                size--;
                locker.notify();
            }
            return ret;
        }
    }

用兩個線程充當生產(chǎn)者與消費者：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockQueue blockQueue = new BlockQueue();
        //生產(chǎn)者線程
        Thread produce = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                for(int i = 0;i<10000;++i){
                    try {
                        System.out.println("生產(chǎn)了:"+i);
                        blockQueue.put(i);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
        produce.start();
        //消費者線程
        Thread customer = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                while (true) {
                    try {
                        int res = blockQueue.back();
                        System.out.println("消費了：" + res);
                        //每次消費后等1秒，也就是生產(chǎn)的快，消費的慢
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
        customer.start();
        customer.join();
        produce.join();
    }

結果如下：可以看到，生產(chǎn)者線程先生產(chǎn)元素，（阻塞隊列容量為10)，當隊列滿時，隊列阻塞，消費者線程消費元素，因為消費的慢，所以接下來生產(chǎn)者線程由于阻塞隊列不能快速生產(chǎn)，只能等待消費者線程消費隊列中的元素，生產(chǎn)者線程才能隨著生產(chǎn)，這就是阻塞隊列的緩沖作用。

在這里插入圖片描述

2.手寫定時器

先看一下Java包中的定時器。

下面的代碼我們通過調(diào)用timer類中的schedule方法來實現(xiàn)定時器功能。schedule方法有兩個參數(shù)，第一個參數(shù)：要執(zhí)行的任務，第二個參數(shù)：時間。

下面的代碼中，schedule方法中的第一個任務參數(shù)：我們創(chuàng)建了一個TimerTask實例；重寫里面的run方法來打印"觸發(fā)定時器"這句話。第二個參數(shù)：3000；表示3秒后執(zhí)行這個任務。

import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;
public class Test{
public static void main(String[] args) {
        Timer timer = new Timer();
        System.out.println("代碼開始執(zhí)行");
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("觸發(fā)定時器");
            }
        },3000);
    }
}

結果如下：

在這里插入圖片描述

從上面就可以看出來我們手寫定時器需要實現(xiàn)以下兩個方面：

1.一個Task類，用來描述要實現(xiàn)的任務

2.一個Timer類，類中再實現(xiàn)一個schedule方法

Task類實現(xiàn)

//Task類用來描述任務，它繼承Comparable接口是因為要將任務放到優(yōu)先級阻塞隊列中
    static class Task implements Comparable<Task>{
        //command表示這個任務是什么
        private Runnable command;
        //time是一個時間戳
        private long time;
        public Task(Runnable command,long time){
            this.command = command;
            this.time = System.currentTimeMillis()+time;
        }
        public void run(){
            command.run();
        }
        //因為要將Task任務放到優(yōu)先級阻塞隊列中，所以要重寫compareTo方法，我們將時間短的任務放到隊頭
        @Override
        public int compareTo(Task o) {
            return (int)(this.time - o.time);
        }
    }

Timer類實現(xiàn)

//Timer類中需要有一個定時器，還需要有一個schedule方法
    static class Timer{
        //使用優(yōu)先級阻塞隊列來放這些任務，這樣才能把最接近時鐘的任務放到隊頭，我們每次掃描隊頭任務就行了
        private PriorityBlockingQueue<Task> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
        //locker用來解決忙等問題
        private Object locker = new Object();
        //構造方法中完成定時器功能
        public Timer(){
            //需要構造一個線程，來不斷地掃描隊頭，來判斷隊頭任務是否到點，也就是是否該開始執(zhí)行了
            Thread t = new Thread(){
                @Override
                public void run() {
                    while(true){
                        //取出隊首任務來判斷是否到時間了
                        try {
                            Task task = queue.take();
                            long current = System.currentTimeMillis();
                            //當前時間戳小于時鐘時間戳，表明時間還沒到,那就等待
                            if (current < task.time){
                                queue.put(task);
                                synchronized (locker){
                                    locker.wait(task.time-current);
                                }
                            }else{
                                //否則時間到，開始執(zhí)行任務
                                task.run();
                            }
                        } catch (InterruptedException e) {
                                e.printStackTrace();
                                break;
                            }
                        }
                    }
                };
            t.start();
            }
        //schedule方法的兩個參數(shù)，command為任務，delay為一個時間差例如：3000(單位為毫秒)
        public void schedule(Runnable command,long delay){
            Task task = new Task(command,delay);
            queue.put(task);
            synchronized (locker){
                locker.notify();
            }
        }
    }

主線程

public static void main(String[] args) {
        System.out.println("程序啟動");
        Timer timer = new Timer();
        timer.schedule(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("觸發(fā)定時器");
            }
        },3000);//3000表示定時時間為3秒
    }

結果如下：“程序啟動” 在程序啟動是立刻顯示出來；“觸發(fā)定時器”在3秒后顯示出來。

在這里插入圖片描述