【多线程】阻塞队列

川长思鸟来 2024-03-26 20:10 72阅读 0赞

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## 1. 认识阻塞队列和消息队列 ##

阻塞队列也是一个队列，也是一个特殊的队列，也遵守先进先出的原则，但是带有特殊的功能。

*  如果阻塞队列为空，执行出队列操作，就会阻塞等待，阻塞到另一个线程往阻塞队列中添加元素(队列不空)为止

*  如果阻塞队列满了，执行入队列操作，就会阻塞等待，阻塞到另一个线程从阻塞队列中取出元素(队列不满)为止

上述这两条特性，希望大家能有个好的认识，有了这两条特性，也是我们后续模拟实现一个阻塞队列的基础。

**消息队列也是一个特殊的队列，在阻塞队列的基础上，加上了一个 "消息类型"，按照指定的类型进行先进先出。**

注意这里我们谈到的消息队列仍然是一个数据结构。

由于消息队列很好用，因此就有业内牛人，把这样的数据结构，单独实现成了一个程序，这个程序，可以通过网络的方式和其他程序进行通信，类似于 MySQL 这样的客户端。

此时由于单独实现了一个程序，此时这个消息队列就能单独的部署到一组服务器上，此时存储能力和转发能力都大大提升了，在很多大型的项目里，都能看到这样的消息队列的身影，于是消息队列就能和 MySQL，redis 相提并论了，成为了一个重要的组件，称为 "中间件"。

行内常见的消息队列有：rabbit mq，active mq，rocket mq，kafka......

**如何理解消息队列呢？这里用一个形象的例子来介绍：**

假设你是个渣男帅哥，追你的妹子排起了很长的队伍，有可爱类型的，有高冷类型的，有憨憨类型的...

你每天都要找一个妹子约会，于是你今天发个说说：想跟我约会的妹子，来我家门口排好队等我吧，于是喜欢你的妹子纷纷来到了你家门口：

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假设你今天上午想找一个憨憨类型的妹子去约会，那么就需要从排队的人中选一个憨憨类型的妹子出来，但是排在最前面的并不是憨憨类型的妹子，但是不影响，因为你今天的规划，就是憨憨类型的妹子优先级最高！

那么排队的妹子中，有两个憨憨类型的妹子，选哪个呢？这次就是按照顺序来了！谁先来，你选谁！

假设你上午睡过头了呢？家门口排满了，此时还想等你的妹子就只能等着，等下次了，假设没有妹子等你呢？那你就得坐在家门口等妹子嘛，这也是类似于阻塞队列的效果，队列为空，或者队列为满的情况。

**上述这样的例子，就类似于消息队列，队列中每个元素都有类型，按照指定类型遵循先进先出的原则！**

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## 2. 生产者消费者模型 ##

### 2.1 认识生产者消费者模型 ###

为啥消息队列香？因为他和阻塞队列特性关系非常大。

而阻塞队列的一个典型应用场景就是 "生产者消费者模型"，这是一种非常典型的开发模型。

这里我们也通过一个生活中的例子来理解生产者消费者模型：

不知道大家有没有包过饺子，这里把包饺子抽象成两个步骤：擀饺子皮，包饺子。

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此时有小明，小强，小王，小李这四个人一起包饺子，怎么包呢？有两个可选方案：

*  **每个人分别擀自己的饺子皮，自己包**

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*  **小明负责擀饺子皮，擀完后放在盘子里，小强，小王，小李从盘子中取饺子皮负责包饺子。**

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那么方案二就类似于生产者消费者模型：

*  擀饺子皮的人：**生产者**

*  盘子：**阻塞队列/消息队列**

*  取饺子皮包饺子的人：**消费者**

如果小明擀的慢，盘子上没有饺子皮了，其他人就得等着，如果小明擀的快，盘子上饺子皮放满了，小明就得等着，不要擀了。

这里与我们前面说的阻塞队列满/阻塞队列空的情况相互对应上了！

### 2.2 阻塞队列实际中的实用 ###

有了上面的例子，我们再来结合实际中开发的情况，进一步了解阻塞队列/消息队列在实际开发中的实用吧：

**服务器之间的调用：**

假设现在有一个客户端程序(游戏)，需要充值钻石了，没有使用阻塞队列/消息队列的情况：

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上述没有使用阻塞队列的情况，就是属于耦合太高了，写代码通常追求高内聚，低耦合，高耦合指的是什么呢？

**高耦合：两个程序之间关联太高了，如果一方出现问题可能会影响另一方。**

就比如上述情况，服务器A 想给服务器B 发送请求(调用B)，必须知道 B 的存在，如果 服务器B 挂了，是有可能引起服务器A 的 BUG 的！此时如果还需要增加一个存放充值日志的服务器C，那么 服务器A 的代码是要进行调整的，对于程序猿来说，显然不喜欢麻烦！

那么这样的场景，使用生产者消费者模型就能有效的降低耦合，让两个服务器之间的关联变低。

**引入消息队列：**

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这样一来，服务器A 和 服务器B 之间就没多大的关系了，服务器A 只需要知道往哪个队列放，从哪个队列取，服务器B 也是同理，而且在实现服务器A 的代码中，没有一行与服务器B 相关的代码，实现服务器B 的代码中，也没有一行与服务器 A 相关的代码。

此时耦合就被大大的降低了，如果服务器B 挂了，对服务器A 是没有影响的，此时如果 A 从队列中取，发现没有结果，就可以视为充值失败，这样一来，就可以排查 B 的问题了。

同时利用生产者消费者模型，还可以有效控制请求的访问量，不至于一下子并发太高了，把服务器B 给搞挂了，就比如之前鹿晗官宣的时候，此时用户发送的请求量是不可预估的，而利用生产者消费者模型就能很好的解决这个问题。

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## 3. 模拟实现一个阻塞队列 ##

Java 本身也是给我们提供了阻塞队列的：BlockingQueue 这是一个接口，实现这个接口的有如下类：

*  LinkedBlockingQueue 基于链表实现的阻塞队列

*  PriorityBlockingQueue 基于堆实现的阻塞队列

*  ArrayBlockingQueue 基于数组实现的阻塞队列

阻塞队列本身是一种特殊的队列，就是在普通队列上引入阻塞的功能，主要的阻塞方法有两个：

*  入队列：put

*  出队列：take

想要实现一个阻塞队列，就需要先实现一个普通的队列，然后再将这个队列改造成带有阻塞功能的队列即可。

对于普通队列的实现，我们可以采取链表，数组的方式，这里我们就基于数组的结构来实现(环形队列)。

**实现环形队列，我们需要区分队列满了，和队列空的两种情况。**

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初始的时候，head 和 tail 指向同一个位置，当插入元素的时候在 tail 位置插入，然后 tail++ 即可，出元素的时候，head++即可，所以当 head == tail 的时候，队列为空。

**那么问题来了：**

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此时队列是满的，但是 head == tail 条件也成立！这样一来我们就无法判断队列为空，还是队列满了。

有两种解决方案：

*  浪费一个空间上述当 tail 走到 5 下标位置就判断满了

*  定一个 size 变量，记录当前队列中元素个数

**这里我们就采用 size 来记录队列中元素个数吧：**

public class MyArrayBlockQueue<T> {
        private T[] elem;
        private int head;
        private int tail;
        private int size;
    
        public MyArrayBlockQueue(int capacity) {
            elem = (T[])new Object[capacity];
            head = 0;
            tail = 0;
            size = 0;
        }
    
        public void put(T value) {
            // 如果队列满了, 则不能插入元素
            if (size == elem.length) {
                return;
            }
            elem[tail++] = value;
            // 防止 tail 越界, 修正 tail 位置
            if (tail >= elem.length) {
                tail = 0;
            }
            size++;
        }
    
        public T take() {
            // 如果队列为空, 则不能出队列
            if (size == 0) {
                return null;
            }
            T result = elem[head++];
            // 防止 head 越界
            if (head >= elem.length) {
                head = 0;
            }
            size--;
            return result;
        }
    }

最基本的环形队列我们就写好了，接下来就要在这个基础上，增加阻塞功能，保证多线程情况下的线程安全问题。

public synchronized void put(T value) throws InterruptedException {
            // 如果队列满了, 则阻塞等待
            while (size == elem.length) {
                this.wait();
            }
            elem[tail++] = value;
            // 防止 tail 越界, 修正 tail 位置
            if (tail >= elem.length) {
                tail = 0;
            }
            size++;
            // 唤醒 take() 中的 wait, 告诉他队列不为空, 可以出队列了
            this.notify();
        }
    
        public synchronized T take() throws InterruptedException {
            T result;
            // 如果队列为空, 则也需要阻塞等待
            while (size == 0) {
                this.wait();
                }
            result = elem[head++];
            // 防止 head 越界
            if (head >= elem.length) {
                head = 0;
                }
            size--;
            // 唤醒 put() 中的 wait, 告诉他队列没有满, 可以入队列了
            this.notify();
            return result;
        }

这样就能保证线程安全了，上述我们把队列满和空的情况时使用的 if 替换成了 while，这是因为在 Java 标准中，表述了使用 wait 方法可能会中断，存在虚假唤醒的情况，建议使用 wait 方法时，应该在循环内使用。

有了这个阻塞队列，大家就能多创建几个线程，利用阻塞队列模拟包饺子的场景了，这里我就不提供代码了。

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**下期预告：【多线程】模拟实现定时器**

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