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(十五)java多线程之并发集合ArrayBlockingQueue

news 来源：原创 2024/4/25 18:04:02

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引言

做java的同学们或多或少的接触过Java集合框架.在java集合框架中,大多的集合类是线程不安全的.比如我们常用的ArrayList等等.我们写一个例子看,为什么说ArrayList是不安全的.

例子1 证明ArrayList是线程不安全的

我们开启100个线程.每个线程向List加100个数据,那么当所有线程执行完成之后应该是10000条,然后就对比一下结果,看看是否为10000条.

public class Demo1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        Thread[] threads = new Thread[100];
        for (int i = 0; i < threads.length; i ++){
            threads[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0;j < 100; j ++){
                    list.add(Thread.currentThread().getName() + ":" + j);
                }
            });
            threads[i].start();
        }

        for (Thread thread : threads){
            thread.join();
        }

        System.out.println(list.size());
    }
}

thread.join(); 是让主线程等待所有的子线程执行完,才执行接下来的语句

运行结果为9979,而且每次运行结果还不一定是这个数.

当然,我们可以通过学过的知识,在执行list.add是给它加锁,比如将list.add(Thread.currentThread().getName() + ":" + j);改为synchronized (list){list.add(Thread.currentThread().getName() + ":" + j);}这样就能保证线程同步了.

可直接用于并发的集合类

其实java中已经提供了可直接用于并发的集合类,它们可以在多线程中进行CURD¹操作,而且不需要程序员手动加lock或synchronized来保证同步.一般来说,它们分以下两种:

阻塞式集合(Blocking Collection): 这类集合一般在添加或删除数据,如果集合已满或为空时,则调用添加和删除方法的线程会被阻塞,直接该方法可以成功执行
非阻塞式集合(Non-Blocking Collection):这类集合一般在添加或删除数据,如果方法不能立即执行时,则会返回Null或抛出异常,但调用该方法的线程不会被阻塞.

这节课我将重点讲ArrayBlockingQueue,首先先看一下ArrayBlockingQueue的api,以及区分这些的差别

add(E),offer(E),pub(E)都是这队列尾部加入元素E,如果队列不满,则加入成功,并立即返回.如果队列满了,那么
- add会抛出IllegalStateException异常
- offer立刻返回false
- put会让调用的线程一直等待,直到方法执行成功
offer(E e, long timeout, TimeUnit unit),offer另一种方法,当集合已满,如果等待时间小于等于0,那么会离开返回false,否则等到指定的时间
poll(),take(),获取队列的数据,如果队列为空,那么
- poll 立刻返回null
- take 线程等待,直到获取到数据,或被中断
poll(long timeout, TimeUnit unit),如队列为空,当指定时间小于等于,立刻返回null,否则等待指定的时间
peek(): 看一下队列当前的数据,如果队列为空,则立即返回null

例子

之前我们写过山治和路飞的故事,在(十二)java多线程之Exchanger的例子中,其实山治和路飞是一个简单的生产者-消费者模式,只是山治和路飞都要等对方吃完或做完一个才能继续下一个.现在路飞想出另一个办法,在厨房和餐桌之间弄一个传送带,山治把食物做好之后,直接放传送带上,路飞就直接从传送带拿食物.传送带最多只能放10个食物.ok,开始编码..

Food 没有改.
LuFeiRunnable改为

public class LuFeiRunnable implements Runnable{
    ArrayBlockingQueue<String> queue;
    Random random = new Random();
    public LuFeiRunnable(ArrayBlockingQueue<String> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {

        while (true){
            try {
                String take = queue.take();
                System.out.println("-->路飞拿到 " + take);
                Thread.sleep(random.nextInt(500));
                System.out.println("-->路飞吃完 " + take);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

ShanZhiRunnable改为

public class ShanZhiRunnable implements Runnable{
    ArrayBlockingQueue<String> queue;
    Random random = new Random();
    public ShanZhiRunnable(ArrayBlockingQueue<String> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            try {
                String food = Food.getRandomFood();
                System.out.println("==>山治开始做 " + food);
                Thread.sleep(random.nextInt(500));
                System.out.println("==>山治做好了 " + food);
                queue.put(food);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }
}

测试类改为:

public class TestMain {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayBlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);
        new Thread(new LuFeiRunnable(queue)).start();
        new Thread(new ShanZhiRunnable(queue)).start();
    }
}

运行结果:

==>山治开始做 椒麻鸡
==>山治做好了 椒麻鸡
==>山治开始做 牛腩煲
-->路飞拿到 椒麻鸡
==>山治做好了 牛腩煲
==>山治开始做 豆苗炒虾片
==>山治做好了 豆苗炒虾片
==>山治开始做 火鞭牛肉
-->路飞吃完 椒麻鸡
-->路飞拿到 牛腩煲
==>山治做好了 火鞭牛肉
==>山治开始做 桃酥鸡糕
-->路飞吃完 牛腩煲
-->路飞拿到 豆苗炒虾片
==>山治做好了 桃酥鸡糕
==>山治开始做 鸡汤煮干丝
-->路飞吃完 豆苗炒虾片
-->路飞拿到 火鞭牛肉
==>山治做好了 鸡汤煮干丝
==>山治开始做 菊花猪肝汤
-->路飞吃完 火鞭牛肉
-->路飞拿到 桃酥鸡糕
==>山治做好了 菊花猪肝汤
==>山治开始做 清香炒悟鸡
-->路飞吃完 桃酥鸡糕
-->路飞拿到 鸡汤煮干丝
-->路飞吃完 鸡汤煮干丝
-->路飞拿到 菊花猪肝汤
==>山治做好了 清香炒悟鸡
==>山治开始做 槐花猪肠汤
-->路飞吃完 菊花猪肝汤
-->路飞拿到 清香炒悟鸡
-->路飞吃完 清香炒悟鸡
==>山治做好了 槐花猪肠汤
==>山治开始做 瑞士排骨
-->路飞拿到 槐花猪肠汤
-->路飞吃完 槐花猪肠汤
==>山治做好了 瑞士排骨
-->路飞拿到 瑞士排骨
==>山治开始做 芝麻鱼球
-->路飞吃完 瑞士排骨

山治和路飞都很happy,各自都在做自己喜欢做的事情,但是,如果路飞吃到一定阶段,吃不下了,会发生什么呢?比如把LuFeiRunnable中的Thread.sleep(random.nextInt(500));改为Thread.sleep(random.nextInt(5000));,然后运行结果,会发现山治做菜速度也变慢了,因为传送带的食物放不下,山治必须等路飞吃掉一些,这样传送带才能放下食物.

这就想我们去银行排队,医院取号,或者去各种部门排队办业务的时候.如果人来的太多了,那么他们一般的做法就是没号,要么在网上预约,要么下次早点来.这就是生产者(排队的人)生产太快,消费者(银行,医院等)消费太慢了

扩展

ArrayBlockingQueue的父类是BlockingQueue,通过查找BlockingQueue的子类,我们能找到以下这几个类.

SynchronousQueue跟ArrayBlockingQueue类似,只不过它除了可以用put,offer,take,add,poll,take这几个方法外,其余的例如isEmpty,size,clear,contains,remove等等,都是无效的,大部分都是直接返回一个固定值.这是因为它是一个没有容量的队列.甚至连一个容量都没有.因此在每次做插入操作的时候,都必须等其他线程做删除操作.
LinkedBlockingQueue跟ArrayBlockingQueue类似,只是ArrayBlockingQueue是通过数组的方式实现队列,而LinkedBlockingQueue是通过列表的方式实现队列.
LinkedBlockingDeque跟LinkedBlockingQueue一样是用链表实现队形,只是LinkedBlockingDeque为双向链表,可以在头部或尾部进行添加和删除操作.
- add*,offer*,put*这些增加操作跟LinkedBlockingQueue和LinkedBlockingQueue的add,offer,put是类似的,如果这些方法不带*,则都是等价与*Last
- poll*,take*这些获取数据操作跟LinkedBlockingQueue和LinkedBlockingQueue的poll,take类似的,如果不带*,则等价于*Frist