【Java】阻塞队列 BlcokingQueue 原理、与等待唤醒机制condition/await/singal的关系、多线程安全总结

在实习过程中使用阻塞队列对while + sleep 轮询机制进行了改造，提升了发送接收的效率，这里做一点点总结。

自从Java 1.5之后，在java.util.concurrent包下提供了若干个阻塞队列，BlcokingQueue继承了Queue接口，是线程安全的。阻塞功能使得生产者和消费者两端的能力得以平衡，当阻塞队列是空时，从队列中获取元素的操作将会被阻塞。当阻塞队列是满时，往队列里添加元素的操作将会被阻塞。

等待唤醒机制 condition/await/singal 和阻塞队列的关系将在第四部分介绍。

比较和交换（Compare And Swap，CAS） 将在文章第五部分介绍。

用过 Golang 的会发现，这怎么这么像 channel？之后应该会写写关于这俩的博客。

#1 阻塞队列的种类

• ArrayBlockingQueue：基于数组实现的一个阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须制定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间最长的队列最优先能够访问队列。
• LinkedBlockingQueue：基于链表实现的一个阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE，可被看作无界队列。
• PriorityBlockingQueue：以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue 会按照元素的优先级对元素进行排序，每次出队的元素都是优先级最高的元素。此阻塞队列为无界阻塞队列，即容量没有上限。
• DelayQueue：基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，也有比较排序能力。DelayQueue中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻塞。
• SynchronousQueue：它的容量为0（不是1），所以没有地方来暂存元素，导致每次取数据都要先阻塞，直到有数据放入；同理，每次放数据的时候也会阻塞，直到有消费者来取。它不需要去持有元素，它做的就是直接传递。
• LinkedTransferQueue：是一个由链表结构组成的无界阻塞TransferQueue队列，多了tryTransfer（可以设置等待时间）和transfer（等待有消费者后这个方法才会执行下去）方法。可以算是 LinkedBolckingQueue 和 SynchronousQueue 和合体。基于CAS无锁算法实现，性能理论高一点。

Queue接口下面还有一种非阻塞队列ConcurrentLickedQueue，不会使线程阻塞，而是使用CAS非阻塞算法+不停重试来实现线程安全的。

#2 常用方法

队列主要方法

对于非阻塞队列，一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法，因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意，非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。

• add(E e):将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则会抛出异常；
• remove()：移除队首元素，若移除成功，则返回true；如果移除失败（队列为空），则会抛出异常；
• element()：返回队列的头节点，但是不会删除这个元素。当队列为空时同样会报NoSuchElementException的错误；
• offer(E e)：将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则返回false；
• poll()：移除并获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null；
• peek()：获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null

阻塞队列主要方法

上面列举的5个方法在阻塞队列中都存在，但是要注意这5个方法在阻塞队列中都进行了同步措施。

• put(E e)：阻塞方法，向队尾存入元素，如果队列满，则等待；
• take()：阻塞方法，从队首取元素，如果队列为空，则等待；
• offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)：向队尾存入元素，如果队列满，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果还没有插入成功，则返回false；否则返回true；
• poll(long timeout, TimeUnit unit)：从队首取元素，如果队列空，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果取到，则返回null；否则返回取得的元素；

操作类型	抛出异常	阻塞线程	有返回值	超时返回
存入	add	put	offer	offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
取出	remove	take	poll	poll(long timeout, TimeUnit unit)

#3 阻塞队列的原理 - 以 ArrayBlockingQueue 为例

ArrayBlockingQueue中用来存储元素的实际上是一个数组，takeIndex和putIndex分别表示队首元素和队尾元素的下标，count表示队列中元素的个数。lock是一个可重入锁，notEmpty和notFull是等待条件。

读操作和写操作都需要先获取到 ReentrantLock 独占锁才能进行下一步操作。进行读操作时如果队列为空，线程就会进入到读线程专属的notEmpty的 Condition 的队列中去排队，等待写线程写入新的元素；同理队列已满，这个时候写操作的线程进入到写线程专属的notFull队列中去排队，等待读线程将队列元素移除并腾出空间。

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;/** 用于存放元素的数组 The queued items */private final E[] items;/** 下一次读取的位置 items index for next take, poll or remove */private int takeIndex;/** 下一次写入的位置 items index for next put, offer, or add. */private int putIndex;/** 队列中元素的数量 Number of items in the queue */private int count;/** Concurrency control uses the classic two-condition algorithm* found in any textbook.*//** Main lock guarding all access */private final ReentrantLock lock;/** Condition for waiting takes */private final Condition notEmpty;/** Condition for waiting puts */private final Condition notFull;
}

put() 方法：

在put方法中，首先用checkNotNull方法检查插入的元素是不是null，如果不是 null 会用Reentrantlock上锁，并且使用的上锁方法是lock.lockInterruptibly()。这个方法在获取锁的同时是可以响应中断的，这也正是我们的阻塞队列调用put方法时，在尝试获取锁但还没拿到锁的期间可以响应中断的底层原因。

紧接着在while循环中，它会检查当前队列是不是已经满了，也就是count的长度是否等于数组长度。如果等于代表已经满了，于是我们便会进行等待，直到有空余的时候，我们才会执行下一步操作，调用enqueue方法让元素进入队列，最后用unlock方法解锁。

public void put(E e) throws InterruptedException {//判断添加元素e是否为空，为空会抛出异常checkNotNull(e);//获取锁final ReentrantLock lock = this.lock;//加锁lock.lockInterruptibly();try {//队列已满，线程等待while (count == items.length)notFull.await();//入队方法 signal()藏在enqueue(e)方法里了enqueue(e);} finally {//释放锁lock.unlock();}}private void enqueue(E x) {// assert lock.getHoldCount() == 1;// assert items[putIndex] == null;final Object[] items = this.items;//插入数据items[putIndex] = x;if (++putIndex == items.length)putIndex = 0;count++;//通知消费者线程，当前队列中有数据可供消费notEmpty.signal();
}

take() 方法

跟put方法实现很类似，只不过put方法等待的是notFull信号，而take方法等待的是notEmpty信号。

//从队列中取出数据
public E take() throws InterruptedException {//获取锁final ReentrantLock lock = this.lock;//加锁lock.lockInterruptibly();try {//当队列中无数据，删除线程阻塞等待while (count == 0)notEmpty.await();//有数据，执行队头元素出队操作return dequeue();} finally {//释放锁lock.unlock();}}

非阻塞队列ConcurrentLinkedQueue

顺便看看使用CAS非阻塞算法+不停重试来实现线程安全的这个队列。

ConcurrentLinkedQueue是一种非阻塞的线程安全队列，与阻塞队列LinkedBlockingQueue相对应，同样也是使用链表实现的FIFO队列，但不同的是它没有使用任何锁机制，而是用CAS来实现线程安全。

public boolean offer(E e) {// 检查e是不是null，是的话抛出NullPointerException异常。checkNotNull(e);// 创建新的节点final Node<E> newNode = new Node<E>(e);// 将“新的节点”添加到链表的末尾。for (Node<E> t = tail, p = t;;) {Node<E> q = p.next;// 情况1：q为空，p是尾节点插入if (q == null) {// CAS操作：如果“p的下一个节点为null”(即p为尾节点)，则设置p的下一个节点为newNode。// 如果该CAS操作成功的话，则比较“p和t”(若p不等于t，则设置newNode为新的尾节点)，然后返回true。// 如果该CAS操作失败，这意味着“其它线程对尾节点进行了修改”，则重新循环。if (p.casNext(null, newNode)) {if (p != t) // hop two nodes at a timecasTail(t, newNode);  // Failure is OK.return true;}}// 情况2：p和q相等else if (p == q)p = (t != (t = tail)) ? t : head;// 情况3：其它elsep = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;}
}

非阻塞队列ConcurrentLinkedQueue主要流程就是在判空以后，会进入一个大循环中，p.casNext()方法，这个方法正是利用了CAS来操作的，这个死循环去配合CAS其实就是我们平时说的乐观锁的思想。

#4 等待唤醒机制 wait/notify/notifyAll、condition/await/singal

从上一部分可以发现，阻塞队列 = 等待唤醒机制 + 队列，例如 ArrayBlockingQueue 使用了 ReentrantLock + Condition 和一个列表队列实现。这里就顺便说说 Java 中的阻塞唤醒机制。此部分参考这篇好文。

轮询

生产者和消费者线程各自使用while循环，每隔片刻就去判断Queue的状态，队列为空时生产者才可插入数据，队列不为空时消费者才能取出数据，否则一律sleep等待。

轮询最简单但是也最不优雅。

• sleep 时不会释放线程拥有的锁。
• 轮询的方式太耗费CPU资源：如果线程过多，比如几百上千个线程同时在那轮询，会给CPU带来较大负担。
• 无法保证原子性：如果生产者的操作非原子性，消费者极可能获取到脏数据。

wait/notify/notifyAll

等待唤醒机制底层通过维护线程队列的方式，避免了过多线程同时自旋造成的CPU资源浪费，颇有点“用空间换时间”的味道。

当一个生产者线程无法插入数据时，就让它在队列里休眠（阻塞），此时生产者线程会释放CPU资源，等到消费者抢到CPU执行权并取出数据后，再由消费者唤醒生产者继续生产。

• 用synchronized保证原子性
• wait和notify实现等待唤醒

// 线程consumer  
synchronize(obj){ obj.wait();//没东西了，等待
}  
// 线程producer
synchronize(obj){ obj.notify();//有东西了，唤醒 
}

在synchronized机制下，所有等待的线程都在同一个队列里，而notify又恰巧是随机唤醒线程（也就是说，有可能生产者唤醒生产者）。

一般建议是改用notifyAll，把所有线程都唤醒，然后大家一起参与执行权的竞争。

• 如果线程调用了对象的 wait()方法，那么线程便会处于该对象的等待池中，等待池中的线程不会去竞争该对象的锁。
• 当有线程调用了对象的 notifyAll()方法（唤醒所有 wait 线程）或 notify()方法（只随机唤醒一个 wait 线程），被唤醒的的线程便会进入该对象的锁池中，锁池中的线程会去竞争该对象锁。也就是说，调用了notify后只要一个线程会由等待池进入锁池，而notifyAll会将该对象等待池内的所有线程移动到锁池中，等待锁竞争
• 优先级高的线程竞争到对象锁的概率大，假若某线程没有竞争到该对象锁，它还会留在锁池中，唯有线程再次调用 wait()方法，它才会重新回到等待池中。而竞争到对象锁的线程则继续往下执行，直到执行完了 synchronized 代码块，它会释放掉该对象锁，这时锁池中的线程会继续竞争该对象锁。

condition/await/singal

虽然 wait/notifyAll 能解决“己方唤醒己方，最终导致全部线程阻塞”的乌龙事件，但唤醒全部线程又不够精确，会造成无谓的线程竞争（实际只需要唤醒敌方线程即可）。

作为改进版，可以使用 ReentrantLock 的 Condition 替代 synchronized 的 wait/notify

// 显式锁（相对地，synchronized锁被称为隐式锁）
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final Condition producerCondition = lock.newCondition();
private final Condition consumerCondition = lock.newCondition();//生产
lock.lock(); 
producerCondition.await(); 
lock.unlock();  //消费
lock.lock(); 
consumerCondition.signal(); 
lock.unlock();

你可以认为lock.newCondition() 创建了一个队列，调用producerCondition.await()会把生产者线程放入生产者的等待队列中，当消费者调用producerCondition.signal() 时会唤醒从生产者的等待队列中唤醒一个生产者线程出来工作。

也就是说，ReentrantLock的Condition通过拆分线程等待队列，让线程的等待唤醒更加精确了，想唤醒哪一方就唤醒哪一方。

可以看到，上面的伪代码和前面阻塞队列的put() 方法逻辑几乎一模一样。

#5 多线程安全 - CAS

补充一下这个概念。

在计算机科学中，比较和交换（Compare And Swap，CAS） 是用于实现多线程同步的原子指令。 它将内存位置的内容与给定值进行比较，只有在相同的情况下，将该内存位置的内容修改为新的给定值。

它包含 3 个参数 CAS(V,E,N)。V 表示要更新的变量(内存值)，E 表示预期值(旧的)，N 表示新值。当且仅当 V 值等 于 E 值时，才会将 V 的值设为 N，如果 V 值和 E 值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后，CAS 返回当前 V 的真实值。

CAS 操作是抱着乐观的态度进行的(乐观锁)，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时 使用 CAS 操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理， CAS 操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。

独占锁是一种悲观锁，synchronized就是一种独占锁，会导致其它所有需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。而另一个更加有效的锁就是乐观锁。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。乐观锁用到的机制就是CAS，Compare and Swap。

自旋： 就是不停的判断比较，看能否将值交换

CAS的三大问题：

• ABA问题：一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。
• 循环时间长开销大：自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升。
• 只能保证一个共享变量的原子操作：对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。