![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f289d57811656.jpg)



# 前言

较长一段时间以来我都发现不少开发者对 jdk 中的 `J.U.C`（java.util.concurrent）也就是 Java 并发包的使用甚少，更别谈对它的理解了；但这却也是我们进阶的必备关卡。

之前或多或少也分享过相关内容，但都不成体系；于是便想整理一套与并发包相关的系列文章。

其中的内容主要包含以下几个部分：

- 根据定义自己实现一个并发工具。
- JDK 的标准实现。
- 实践案例。


基于这三点我相信大家对这部分内容不至于一问三不知。

既然开了一个新坑，就不想做的太差；所以我打算将这个列表下的大部分类都讲到。

![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f2c7f91450086.jpg)


所以本次重点讨论 `ArrayBlockingQueue`。

# 自己实现

在自己实现之前先搞清楚阻塞队列的几个特点：

- 基本队列特性：先进先出。
- 写入队列空间不可用时会阻塞。
- 获取队列数据时当队列为空时将阻塞。


实现队列的方式多种，总的来说就是数组和链表；其实我们只需要搞清楚其中一个即可，不同的特性主要表现为数组和链表的区别。

这里的 `ArrayBlockingQueue` 看名字很明显是由数组实现。

我们先根据它这三个特性尝试自己实现试试。

## 初始化队列

我这里自定义了一个类：`ArrayQueue`，它的构造函数如下：

```java
    public ArrayQueue(int size) {
        items = new Object[size];
    }
```

很明显这里的 `items` 就是存放数据的数组；在初始化时需要根据大小创建数组。

![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f2fb8fe622692.jpg)

## 写入队列

写入队列比较简单，只需要依次把数据存放到这个数组中即可，如下图：

![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f32aa77680089.jpg)

但还是有几个需要注意的点：

- 队列满的时候，写入的线程需要被阻塞。
- 写入过队列的数量大于队列大小时需要从第一个下标开始写。

先看第一个`队列满的时候，写入的线程需要被阻塞`，先来考虑下如何才能使一个线程被**阻塞**，看起来的表象线程卡住啥事也做不了。

有几种方案可以实现这个效果:

- `Thread.sleep(timeout)`线程休眠。
- `object.wait()` 让线程进入 `waiting` 状态。

> 当然还有一些 `join、LockSupport.part` 等不在本次的讨论范围。

阻塞队列还有一个非常重要的特性是：当队列空间可用时（取出队列），写入线程需要被唤醒让数据可以写入进去。

所以很明显`Thread.sleep(timeout)`不合适，它在到达超时时间之后便会继续运行；达不到**空间可用时**才唤醒继续运行这个特点。

其实这样的一个特点很容易让我们想到 Java 的等待通知机制来实现线程间通信；更多线程见通信的方案可以参考这里：[深入理解线程通信](https://crossoverjie.top/2018/03/16/java-senior/thread-communication/#%E7%AD%89%E5%BE%85%E9%80%9A%E7%9F%A5%E6%9C%BA%E5%88%B6)

所以我这里的做法是，一旦队列满时就将写入线程调用 `object.wait()` 进入 `waiting` 状态，直到空间可用时再进行唤醒。

```java
    /**
     * 队列满时的阻塞锁
     */
    private Object full = new Object();

    /**
     * 队列空时的阻塞锁
     */
    private Object empty = new Object();
```

![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f35038c649523.jpg)

所以这里声明了两个对象用于队列满、空情况下的互相通知作用。


在写入数据成功后需要使用 `empty.notify()`，这样的目的是当获取队列为空时，一旦写入数据成功就可以把消费队列的线程唤醒。


> 这里的 wait 和 notify 操作都需要对各自的对象使用 `synchronized` 方法块，这是因为 wait 和 notify 都需要获取到各自的锁。

## 消费队列

上文也提到了：当队列为空时，获取队列的线程需要被阻塞，直到队列中有数据时才被唤醒。

![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f3ad811825796.jpg)

代码和写入的非常类似，也很好理解；只是这里的等待、唤醒恰好是相反的，通过下面这张图可以很好理解：

![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f3d9cf3f67442.jpg)

总的来说就是：

- 写入队列满时会阻塞直到获取线程消费了队列数据后唤醒**写入线程**。
- 消费队列空时会阻塞直到写入线程写入了队列数据后唤醒**消费线程**。


## 测试

先来一个基本的测试：单线程的写入和消费。

![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f405d0e291936.jpg)

```log
3
123
1234
12345
```

通过结果来看没什么问题。

---

当写入的数据超过队列的大小时，就只能消费之后才能接着写入。

![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f41cf91223286.jpg)

```log
2019-04-09 16:24:41.040 [Thread-0] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - [Thread-0]123
2019-04-09 16:24:41.040 [main] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - size=3
2019-04-09 16:24:41.047 [main] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - 1234
2019-04-09 16:24:41.048 [main] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - 12345
2019-04-09 16:24:41.048 [main] INFO  c.c.concurrent.ArrayQueueTest - 123456
```

从运行结果也能看出只有当消费数据后才能接着往队列里写入数据。

---

![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f4346e6458625.jpg)

![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f49e902d49687.jpg)

而当没有消费时，再往队列里写数据则会导致写入线程被阻塞。



### 并发测试

![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f4d00e9696823.jpg)

三个线程并发写入300条数据，其中一个线程消费一条。

```log
=====0
299
```

最终的队列大小为 299，可见线程也是安全的。

> 由于不管是写入还是获取方法里的操作都需要获取锁才能操作，所以整个队列是线程安全的。


# ArrayBlockingQueue

下面来看看 JDK 标准的 `ArrayBlockingQueue` 的实现，有了上面的基础会更好理解。

## 初始化队列

![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f5007ecc42909.jpg)

看似要复杂些，但其实逐步拆分后也很好理解：

第一步其实和我们自己写的一样，初始化一个队列大小的数组。


第二步初始化了一个重入锁，这里其实就和我们之前使用的 `synchronized` 作用一致的；

只是这里在初始化重入锁的时候默认是`非公平锁`，当然也可以指定为 `true` 使用公平锁；这样就会按照队列的顺序进行写入和消费。

> 更多关于 `ReentrantLock` 的使用和原理请参考这里：[ReentrantLock 实现原理](https://crossoverjie.top/2018/01/25/ReentrantLock/)

三四两步则是创建了 `notEmpty notFull` 这两个条件，他的作用于用法和之前使用的 `object.wait/notify` 类似。

这就是整个初始化的内容，其实和我们自己实现的非常类似。


## 写入队列

![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f52b585671592.jpg)
![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f5a1c28c84172.jpg)

其实会发现阻塞写入的原理都是差不多的，只是这里使用的是 Lock 来显式获取和释放锁。

同时其中的 `notFull.await();notEmpty.signal();` 和我们之前使用的 `object.wait/notify` 的用法和作用也是一样的。


当然它还是实现了超时阻塞的 `API`。

![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f5b7a55b36447.jpg)

也是比较简单，使用了一个具有超时时间的等待方法。 

## 消费队列

再看消费队列：

![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f5e98db976041.jpg)
![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f5fea44784743.jpg)

也是差不多的，一看就懂。

而其中的超时 API 也是使用了 `notEmpty.awaitNanos(nanos)` 来实现超时返回的，就不具体说了。


# 实际案例

说了这么多，来看一个队列的实际案例吧。

背景是这样的：

> 有一个定时任务会按照一定的间隔时间从数据库中读取一批数据，需要对这些数据做校验同时调用一个远程接口。


简单的做法就是由这个定时任务的线程去完成读取数据、消息校验、调用接口等整个全流程；但这样会有一个问题：

假设调用外部接口出现了异常、网络不稳导致耗时增加就会造成整个任务的效率降低，因为他都是串行会互相影响。


所以我们改进了方案：

![](https://i.loli.net/2019/07/19/5d313f61e33f644196.jpg)

其实就是一个典型的生产者消费者模型：

- 生产线程从数据库中读取消息丢到队列里。
- 消费线程从队列里获取数据做业务逻辑。

这样两个线程就可以通过这个队列来进行解耦，互相不影响，同时这个队列也能起到缓冲的作用。

但在使用过程中也有一些小细节值得注意。

因为这个外部接口是支持批量执行的，所以在消费线程取出数据后会在内存中做一个累加，一旦达到阈值或者是累计了一个时间段便将这批累计的数据处理掉。

但由于开发者的大意，在消费的时候使用的是 `queue.take()` 这个阻塞的 API；正常运行没啥问题。

可一旦原始的数据源，也就是 DB 中没数据了，导致队列里的数据也被消费完后这个消费线程便会被阻塞。

这样上一轮积累在内存中的数据便一直没机会使用，直到数据源又有数据了，一旦中间间隔较长时便可能会导致严重的业务异常。

所以我们最好是使用 `queue.poll(timeout)` 这样带超时时间的 api，除非业务上有明确的要求需要阻塞。

这个习惯同样适用于其他场景，比如调用 http、rpc 接口等都需要设置合理的超时时间。

# 总结

关于 `ArrayBlockingQueue` 的相关分享便到此结束，接着会继续更新其他并发容器及并发工具。

对本文有任何相关问题都可以留言讨论。



本文涉及到的所有源码：

https://github.com/crossoverJie/JCSprout/blob/master/src/main/java/com/crossoverjie/concurrent/ArrayQueue.java


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