Java并发6：阻塞队列，Fork/Join框架

阻塞队列

阻塞队列是一个支持两个附加操做的队列。这两个附加的操做支持阻塞的插入和移除方法：

• 支持阻塞的插入方法：队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满
• 支持阻塞的移除方法：队列空时，获取元素的线程会等待队列变为非空

阻塞队列经常使用于生产者消费者的场景。其中生产者是向队列添加元素的线程，消费者是从队列取出元素的线程，阻塞队列是存放和获取元素的容器。

阻塞队列的4种处理方式：

1. 抛出异常：
   • add(e) 当队列满，再插入元素，抛出异常
   • remove() 当队列空，再删除元素，抛出异常
   • element() 获取元素
2. 返回特殊值：
   • offer(e) 插入元素时，插入成功返回true
   • poll() 移除元素，成功返回该值，不然返回null
   • peek()
3. 一直阻塞：
   • put(e) 当阻塞队列满时，再插入时会阻塞生产者线程，直到队列可用或中断退出
   • take() 当队列空，再移除元素会阻塞消费者线程，直到队列不空
4. 超时退出
   • offer(e, time, unit) 队列满时再插入元素，阻塞，超时退出
   • poll(time, unit) 队列空时移除元素，阻塞，超时退出

Java中几种阻塞队列

• ArrayBlockingQueue: 数组结构构成的有界 FIFO 阻塞队列
• LinkedBolckingQueue: 链表结构构成的有界 FIFO 阻塞队列
• PriorityBlockingQueue: 支持优先级排序的无界阻塞队列
• DelayQueue: 支持延时获取元素，使用优先级队列实现的无界阻塞队列
• SynchronousQueue: 不存储元素的阻塞队列，不为队列元素维护存储空间
• LinkedTransferQueue: 链表结构构成的无界阻塞队列
• LinkedBlockingDeque: 链表构成的双向阻塞队列

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue 是一个用数组实现的有界的，按照 FIFO 原则对元素排序的阻塞队列。它还支持对等待的生产者和消费者线程进行排序时的可选公平策略，默认状况下不保证线程公平的访问，在构造时能够选择公平策略。公平性会下降吞吐量，可是减小了可变性和避免了“不平衡性”。

LinkedBlockingQueue

这是一个用链表实现的有界阻塞队列，默认长度和最大长度都是 Integer.MAX_VALUE 。该队列也是按照 FIFO 原则对元素排序，肯定线程执行的前后顺序。

PriorityBlockingQueue

这是一个支持优先级的无界祖苏队列，默认状况下采起天然顺序升序排序，也能够经过构造函数指定 Comparator 来对元素进行排序。可是它不能保证相同优先级元素的顺序。

底层是采用二叉最大堆来实现优先级排序的。

DelayQueue

这是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列，其队列使用优先队列 PriorityQueue 实现。队列中的元素必须实现 Delayed 接口，建立元素时能够指定多久以后才能从队列中获取该元素，只有在元素到期时才能获取。

主要用于缓存，如清除缓冲中超时的数据。还用于定时任务的调度。

元素建立时，要实现 Delayed 接口，首先进行初始化；而后实现 getDelay(Timeunit unit)方法，返回的值是当前元素还须要延时多长时间；最后实现compareTo(Delayed other)方法，用来指定元素的顺序。

当消费者从队列中获取元素时，若是元素尚未到延时时间，就阻塞当前线程。此外，设置了 leader 变量表示等待获取队列头部元素的线程。若是 leader 不为空，表示有现成等待获取队列头部元素，使用 await() 方法让当前线程等待信号。若是 leader 为空，则把当前线程设置为 leader，使用 awaitNanos() 方法让当前线程等待接收信号或等待 delay 时间。

SynchronousQueue

与其余阻塞队列不一样，这是一个不存储元素的阻塞队列，每个 put 操做必需要等待一个take操做，不然不能继续添加元素，反之亦然。分为公平和不公平访问队列，默认状况采用非公平性策略访问队列。

该种队列自己不存储任何元素，适合传递性场景，把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程,其吞吐量高于 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

LinkedTransferQueue

这是一个由链表结构组成的 FIFO 的无界阻塞 TransferQueue 队列。它采起一种预占模式，也就是有就直接拿走，没有就占着这个位置直到拿到、超时或中断。相对于其余阻塞队列，多了 tryTransfer 方法和 transfer 方法。

• transfer(e,[timeout,unit]) 方法: 若是当前有消费者正等待接收元素，该方法能够把生产者传入的元素马上传输给消费者。若是没有消费者等待，该方法将元素存放在队列的 tail 节点，等到该元素被消费者消费了才返回。
• tryTransfer(e,[timeout,unit])方法： 试探生产者传入的元素是否能直接传给消费者。若是没有消费者等待接收元素，返回false。该方法不管消费者是否接收都当即返回，而 transfer 方法必须等消费了才返回。

LinkedBlockingDeque

是一个由链表组成的双向阻塞队列。能够从队列两端插入和移除元素。

Fork/Join框架

该框架主要应用在并行计算中，把一个大人物分割成若干个小任务，最终汇总每一个小任务结果后获得大结果的框架。Fork 就是把一个大任务切分红若干子任务并行的执行，Join 就是合并这些子任务的执行结果，最终获得这个大任务的结果。

工做窃取算法

工做窃取是指某个线程从其余队列里窃取任务来执行。一般使用双端队列，被窃取任务线程永远从双端队列头部拿任务执行，窃取任务的线程永远从双端队列尾部拿任务执行。

优势是充分利用线程进行并行计算，减小了线程间的竞争。缺点是在某些状况下存在竞争，好比队列只有一个任务时，会消耗更多的资源。

框架设计思路

首先，分割任务，将一个大任务分割成子任务，不停分割直到分割出的子任务足够小。

而后，执行任务并合并结果。分割的子任务分别放在双端队列，而后几个启动线程分别从双端队列获取任务执行。执行结果放在一个队列里，启动一个线程从队列拿数据，而后合并这些线程。

示例

public class ForkJoinCase extends RecursiveTask<Integer> {
    private final int threshold=5;
    private int first;
    private int last;

    public ForkJoinCase(int first,int last){
        this.first=first;
        this.last=last;
    }


    @Override
    protected Integer compute() {
        int ret=0;
        if(last-first<=threshold){//任务足够小，执行
            for(int i=first;i<=last;i++){
                ret+=i;
            }
        }else{//分解任务
            int mid=first+(last-first)/2;
            ForkJoinCase leftTask=new ForkJoinCase(first,mid);
            ForkJoinCase rightTask=new ForkJoinCase(mid+1,last);
            //执行子任务
            leftTask.fork();
            rightTask.fork();
            //合并子任务结果
            ret=leftTask.join()+rightTask.join();
        }
        return ret;
    }
}
复制代码

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参考资料

• Java并发编程的艺术
• github.com/CyC2018/CS-…
• cmsblogs.com/?p=2611