了解阻塞队列
阻塞队列是Java中的一种线程安全的队列，通常用于实现生产者-消费者模式。它不仅可以存储数据，还提供了当队列为空或已满时线程的阻塞能力。阻塞队列在多线程环境中非常有用，可以有效地解决线程间的通信和协调问题。
在Java中，阻塞队列的主要实现有：
- ArrayBlockingQueue：基于数组结构的阻塞队列，容量有限，按FIFO（先进先出）原则操作。
- LinkedBlockingQueue：基于链表结构的阻塞队列，容量可选择无限或指定，具有较高的并发性能。
- PriorityBlockingQueue：支持优先级排序的阻塞队列，元素按照自然顺序或提供的比较器排序。
- DelayQueue：一个支持延迟排队的阻塞队列，只有在元素到达预定时间后才能被 consumed。
阻塞队列提供了一些重要的方法，如put()和take()，用于插入和获取元素。这些方法在队列满或空时会导致调用线程阻塞，从而有效控制线程的执行流程。
总之，阻塞队列是处理多线程编程中任务调度及数据共享的一个重要工具，能提高代码的可读性和可靠性。
代码模拟实现阻塞队列
模拟实现
下面是一个简单的Java实现的阻塞队列示例。这个实现使用了wait()和notifyAll()来处理线程的阻塞和唤醒。我们的自定义阻塞队列类 MyBlockingQueue 支持基本的 put 和 take 方法。
import java.util.LinkedList;
public class MyBlockingQueue<T> {
private final LinkedList<T> queue;
private final int capacity;
public MyBlockingQueue(int capacity) {
this.queue = new LinkedList<>();
this.capacity = capacity;
}
// 添加元素到队列
public synchronized void put(T item) throws InterruptedException {
while (queue.size() == capacity) {
wait(); // 队列满时，等待
}
queue.add(item);
notifyAll(); // 唤醒其他线程
}
// 从队列中获取元素
public synchronized T take() throws InterruptedException {
while (queue.isEmpty()) {
wait(); // 队列为空时，等待
}
T item = queue.removeFirst();
notifyAll(); // 唤醒其他线程
return item;
}
// 查看队列大小
public synchronized int size() {
return queue.size();
}
// 检查队列是否为空
public synchronized boolean isEmpty() {
return queue.isEmpty();
}
}
使用示例
下面是一个使用上述 MyBlockingQueue 的示例，包括生产者和消费者的实现：
public class BlockingQueueExample {
public static void main(String[] args) {
MyBlockingQueue<Integer> queue = new MyBlockingQueue<>(5); // 创建容量为5的阻塞队列
// 生产者线程
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
queue.put(i);
System.out.println("Produced: " + i);
Thread.sleep(100); // 模拟生产时间
}
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
});
// 消费者线程
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Integer value = queue.take();
System.out.println("Consumed: " + value);
Thread.sleep(150); // 模拟消费时间
}
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
});
producer.start();
consumer.start();
}
}
总结
上面的代码展示了如何实现一个简单的阻塞队列以及生产者-消费者模式的基本用法。你可以根据需要扩展这个基础实现，例如添加更多的功能和错误处理。
代码解析
下面是对上述代码实现的详细解析，包括 MyBlockingQueue 类和生产者-消费者示例的工作原理。
1. MyBlockingQueue 类
这个类实现了一个基于链表的阻塞队列，包括两个主要的方法 put 和 take，以及一些辅助方法。
属性
queue: 使用LinkedList来存储队列中的元素。capacity: 指定队列的最大容量。
方法
-
构造方法:
public MyBlockingQueue(int capacity) {
this.queue = new LinkedList<>();
this.capacity = capacity;
}
这里我们初始化一个空的链表和指定的容量。
-
put(T item)方法:
public synchronized void put(T item) throws InterruptedException {
while (queue.size() == capacity) {
wait(); // 队列满时，等待
}
queue.add(item);
notifyAll(); // 唤醒其他线程
}
使用 synchronized 关键字保证了方法的线程安全性。
如果队列已满，调用 wait() 方法使当前线程等待，直到有空间可以添加新元素。
当队列有空间时，添加元素，然后调用 notifyAll() 方法唤醒所有在调用 wait() 的线程（可能是消费者线程）。
take()方法:
public synchronized T take() throws InterruptedException {
while (queue.isEmpty()) {
wait(); // 队列为空时，等待
}
T item = queue.removeFirst();
notifyAll(); // 唤醒其他线程
return item;
}
同样地，是一个同步方法。
如果队列为空，调用 wait() 使当前线程等待，直到有元素可以取出。
当有元素可取时，移除并返回队列的第一个元素，并调用 notifyAll() 以唤醒其他线程（如生产者线程）。
辅助方法:
size(): 返回当前队列的大小。isEmpty(): 检查队列是否为空。
2. 生产者-消费者示例
在 BlockingQueueExample 类中，我们创建了一个阻塞队列，并定义了生产者和消费者线程。
public class BlockingQueueExample {
public static void main(String[] args) {
MyBlockingQueue<Integer> queue = new MyBlockingQueue<>(5); // 创建容量为5的阻塞队列
这里我们创建了一个最大容量为5的阻塞队列实例。
生产者线程
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
queue.put(i);
System.out.println("Produced: " + i);
Thread.sleep(100); // 模拟生产时间
}
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
});
生产者线程循环10次，生成数据（0到9）。
每次生成一个数据调用 put 方法加入队列。
如果队列已满，生产者会被阻塞，直到有空间。
消费者线程
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Integer value = queue.take();
System.out.println("Consumed: " + value);
Thread.sleep(150); // 模拟消费时间
}
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
});
- 消费者线程同样循环10次，从队列中取数据。
- 如果队列为空，消费者会被阻塞，直到有数据可取。
总结
运行这个代码时，生产者和消费者线程会交替工作，生产数据并放入队列，消费者从队列中取出数据。由于使用了同步和阻塞机制，代码能够安全地在多线程环境中运行。通过 wait() 和 notifyAll() 的使用，有效地管理了线程的阻塞和唤醒，确保了生产者和消费者之间的协调和通信。