9.数据结构-阻塞队列

2.8 阻塞队列

之前的队列在很多场景下都不能很好地工作，例如

1. 大部分场景要求分离向队列放入（生产者）、从队列拿出（消费者）两个角色、它们得由不同的线程来担当，而之前的实现根本没有考虑线程安全问题
2. 队列为空，那么在之前的实现里会返回 null，如果就是硬要拿到一个元素呢？只能不断循环尝试
3. 队列为满，那么再之前的实现里会返回 false，如果就是硬要塞入一个元素呢？只能不断循环尝试

因此我们需要解决的问题有

1. 用锁保证线程安全
2. 用条件变量让等待非空线程与等待不满线程进入等待状态，而不是不断循环尝试，让 CPU 空转

有同学对线程安全还没有足够的认识，下面举一个反例，两个线程都要执行入队操作（几乎在同一时刻）

public class TestThreadUnsafe {
    private final String[] array = new String[10];
    private int tail = 0;

    public void offer(String e) {
        array[tail] = e;
        tail++;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return Arrays.toString(array);
    }

    public static void main(String[] args) {
        TestThreadUnsafe queue = new TestThreadUnsafe();
        new Thread(()-> queue.offer("e1"), "t1").start();
        new Thread(()-> queue.offer("e2"), "t2").start();
    }
}

执行的时间序列如下，假设初始状态 tail = 0，在执行过程中由于 CPU 在两个线程之间切换，造成了指令交错

线程1	线程2	说明
array[tail]=e1		线程1 向 tail 位置加入 e1 这个元素，但还没来得及执行 tail++
	array[tail]=e2	线程2 向 tail 位置加入 e2 这个元素，覆盖掉了 e1
	tail++	tail 自增为1
tail++		tail 自增为2
		最后状态 tail 为 2，数组为 [e2, null, null ...]

糟糕的是，由于指令交错的顺序不同，得到的结果不止以上一种，宏观上造成混乱的效果

1) 单锁实现

Java 中要防止代码段交错执行，需要使用锁，有两种选择

• synchronized 代码块，属于关键字级别提供锁保护，功能少
• ReentrantLock 类，功能丰富

以 ReentrantLock 为例

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void offer(String e) {
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        array[tail] = e;
        tail++;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

只要两个线程执行上段代码时，锁对象是同一个，就能保证 try 块内的代码的执行不会出现指令交错现象，即执行顺序只可能是下面两种情况之一

线程1	线程2	说明
lock.lockInterruptibly()		t1对锁对象上锁
array[tail]=e1
	lock.lockInterruptibly()	即使 CPU 切换到线程2，但由于t1已经对该对象上锁，因此线程2卡在这儿进不去
tail++		切换回线程1 执行后续代码
lock.unlock()		线程1 解锁
	array[tail]=e2	线程2 此时才能获得锁，执行它的代码
	tail++

• 另一种情况是线程2 先获得锁，线程1 被挡在外面
• 要明白保护的本质，本例中是保护的是 tail 位置读写的安全

事情还没有完，上面的例子是队列还没有放满的情况，考虑下面的代码（这回锁同时保护了 tail 和 size 的读写安全）

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
int size = 0;

public void offer(String e) {
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        if(isFull()) {
            // 满了怎么办?
        }
        array[tail] = e;
        tail++;
      
        size++;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

private boolean isFull() {
    return size == array.length;
}

之前是返回 false 表示添加失败，前面分析过想达到这么一种效果：

• 在队列满时，不是立刻返回，而是当前线程进入等待
• 什么时候队列不满了，再唤醒这个等待的线程，从上次的代码处继续向下运行

ReentrantLock 可以配合条件变量来实现，代码进化为

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition tailWaits = lock.newCondition(); // 条件变量
int size = 0;

public void offer(String e) {
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (isFull()) {
            tailWaits.await();	// 当队列满时, 当前线程进入 tailWaits 等待
        }
        array[tail] = e;
        tail++;
      
        size++;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

private boolean isFull() {
    return size == array.length;
}

• 条件变量底层也是个队列，用来存储这些需要等待的线程，当队列满了，就会将 offer 线程加入条件队列，并暂时释放锁
• 将来我们的队列如果不满了（由 poll 线程那边得知）可以调用 tailWaits.signal() 来唤醒 tailWaits 中首个等待的线程，被唤醒的线程会再次抢到锁，从上次 await 处继续向下运行

思考为何要用 while 而不是 if，设队列容量是 3

操作前	offer(4)	offer(5)	poll()	操作后
[1 2 3]	队列满，进入tailWaits 等待			[1 2 3]
[1 2 3]			取走 1，队列不满，唤醒线程	[2 3]
[2 3]		抢先获得锁，发现不满，放入 5		[2 3 5]
[2 3 5]	从上次等待处直接向下执行			[2 3 5 ?]

关键点：

• 从 tailWaits 中唤醒的线程，会与新来的 offer 的线程争抢锁，谁能抢到是不一定的，如果后者先抢到，就会导致条件又发生变化
• 这种情况称之为虚假唤醒，唤醒后应该重新检查条件，看是不是得重新进入等待

最后的实现代码

/**
 * 单锁实现
 * @param <E> 元素类型
 */
public class BlockingQueue1<E> implements BlockingQueue<E> {
    private final E[] array;
    private int head = 0;
    private int tail = 0;
    private int size = 0; // 元素个数

    @SuppressWarnings("all")
    public BlockingQueue1(int capacity) {
        array = (E[]) new Object[capacity];
    }

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Condition tailWaits = lock.newCondition();
    Condition headWaits = lock.newCondition();

    @Override
    public void offer(E e) throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (isFull()) {
                tailWaits.await();
            }
            array[tail] = e;
            if (++tail == array.length) {
                tail = 0;
            }
            size++;
            headWaits.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    @Override
    public void offer(E e, long timeout) throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            long t = TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeout);
            while (isFull()) {
                if (t <= 0) {
                    return;
                }
                t = tailWaits.awaitNanos(t);
            }
            array[tail] = e;
            if (++tail == array.length) {
                tail = 0;
            }
            size++;
            headWaits.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    @Override
    public E poll() throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (isEmpty()) {
                headWaits.await();
            }
            E e = array[head];
            array[head] = null; // help GC
            if (++head == array.length) {
                head = 0;
            }
            size--;
            tailWaits.signal();
            return e;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    private boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    private boolean isFull() {
        return size == array.length;
    }
}

• public void offer(E e, long timeout) throws InterruptedException 是带超时的版本，可以只等待一段时间，而不是永久等下去，类似的 poll 也可以做带超时的版本，这个留给大家了

注意

• JDK 中 BlockingQueue 接口的方法命名与我的示例有些差异
  • 方法 offer(E e) 是非阻塞的实现，阻塞实现方法为 put(E e)
  • 方法 poll() 是非阻塞的实现，阻塞实现方法为 take()

2) 双锁实现

单锁的缺点在于：

• 生产和消费几乎是不冲突的，唯一冲突的是生产者和消费者它们有可能同时修改 size
• 冲突的主要是生产者之间：多个 offer 线程修改 tail
• 冲突的还有消费者之间：多个 poll 线程修改 head

如果希望进一步提高性能，可以用两把锁

• 一把锁保护 tail
• 另一把锁保护 head

ReentrantLock headLock = new ReentrantLock();  // 保护 head 的锁
Condition headWaits = headLock.newCondition(); // 队列空时，需要等待的线程集合

ReentrantLock tailLock = new ReentrantLock();  // 保护 tail 的锁
Condition tailWaits = tailLock.newCondition(); // 队列满时，需要等待的线程集合

先看看 offer 方法的初步实现

@Override
public void offer(E e) throws InterruptedException {
    tailLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 队列满等待
        while (isFull()) {
            tailWaits.await();
        }
      
        // 不满则入队
        array[tail] = e;
        if (++tail == array.length) {
            tail = 0;
        }
      
        // 修改 size （有问题）
        size++;
      
    } finally {
        tailLock.unlock();
    }
}

上面代码的缺点是 size 并不受 tailLock 保护，tailLock 与 headLock 是两把不同的锁，并不能实现互斥的效果。因此，size 需要用下面的代码保证原子性

AtomicInteger size = new AtomicInteger(0);	   // 保护 size 的原子变量

size.getAndIncrement(); // 自增
size.getAndDecrement(); // 自减

代码修改为

@Override
public void offer(E e) throws InterruptedException {
    tailLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 队列满等待
        while (isFull()) {
            tailWaits.await();
        }
      
        // 不满则入队
        array[tail] = e;
        if (++tail == array.length) {
            tail = 0;
        }
      
        // 修改 size
        size.getAndIncrement();
      
    } finally {
        tailLock.unlock();
    }
}

对称地，可以写出 poll 方法

@Override
public E poll() throws InterruptedException {
    E e;
    headLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 队列空等待
        while (isEmpty()) {
            headWaits.await();
        }
      
        // 不空则出队
        e = array[head];
        if (++head == array.length) {
            head = 0;
        }
      
        // 修改 size
        size.getAndDecrement();
      
    } finally {
        headLock.unlock();
    }
    return e;
}

下面来看一个难题，就是如何通知 headWaits 和 tailWaits 中等待的线程，比如 poll 方法拿走一个元素，通知 tailWaits：我拿走一个，不满了噢，你们可以放了，因此代码改为

@Override
public E poll() throws InterruptedException {
    E e;
    headLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 队列空等待
        while (isEmpty()) {
            headWaits.await();
        }
      
        // 不空则出队
        e = array[head];
        if (++head == array.length) {
            head = 0;
        }
      
        // 修改 size
        size.getAndDecrement();
      
        // 通知 tailWaits 不满（有问题）
        tailWaits.signal();
      
    } finally {
        headLock.unlock();
    }
    return e;
}

问题在于要使用这些条件变量的 await()， signal() 等方法需要先获得与之关联的锁，上面的代码若直接运行会出现以下错误

java.lang.IllegalMonitorStateException

那有同学说，加上锁不就行了吗，于是写出了下面的代码

发现什么问题了？两把锁这么嵌套使用，非常容易出现死锁，如下所示

因此得避免嵌套，两段加锁的代码变成了下面平级的样子

性能还可以进一步提升

1. 代码调整后 offer 并没有同时获取 tailLock 和 headLock 两把锁，因此两次加锁之间会有空隙，这个空隙内可能有其它的 offer 线程添加了更多的元素，那么这些线程都要执行 signal()，通知 poll 线程队列非空吗？

   • 每次调用 signal() 都需要这些 offer 线程先获得 headLock 锁，成本较高，要想法减少 offer 线程获得 headLock 锁的次数
   • 可以加一个条件：当 offer 增加前队列为空，即从 0 变化到不空，才由此 offer 线程来通知 headWaits，其它情况不归它管

2. 队列从 0 变化到不空，会唤醒一个等待的 poll 线程，这个线程被唤醒后，肯定能拿到 headLock 锁，因此它具备了唤醒 headWaits 上其它 poll 线程的先决条件。如果检查出此时有其它 offer 线程新增了元素（不空，但不是从0变化而来），那么不妨由此 poll 线程来唤醒其它 poll 线程

这个技巧被称之为级联通知（cascading notifies），类似的原因

3. 在 poll 时队列从满变化到不满，才由此 poll 线程来唤醒一个等待的 offer 线程，目的也是为了减少 poll 线程对 tailLock 上锁次数，剩下等待的 offer 线程由这个 offer 线程间接唤醒

最终的代码为

public class BlockingQueue2<E> implements BlockingQueue<E> {

    private final E[] array;
    private int head = 0;
    private int tail = 0;
    private final AtomicInteger size = new AtomicInteger(0);
    ReentrantLock headLock = new ReentrantLock();
    Condition headWaits = headLock.newCondition();
    ReentrantLock tailLock = new ReentrantLock();
    Condition tailWaits = tailLock.newCondition();

    public BlockingQueue2(int capacity) {
        this.array = (E[]) new Object[capacity];
    }

    @Override
    public void offer(E e) throws InterruptedException {
        int c;
        tailLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (isFull()) {
                tailWaits.await();
            }
            array[tail] = e;
            if (++tail == array.length) {
                tail = 0;
            }          
            c = size.getAndIncrement();
            // a. 队列不满, 但不是从满->不满, 由此offer线程唤醒其它offer线程
            if (c + 1 < array.length) {
                tailWaits.signal();
            }
        } finally {
            tailLock.unlock();
        }
        // b. 从0->不空, 由此offer线程唤醒等待的poll线程
        if (c == 0) {
            headLock.lock();
            try {
                headWaits.signal();
            } finally {
                headLock.unlock();
            }
        }
    }

    @Override
    public E poll() throws InterruptedException {
        E e;
        int c;
        headLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (isEmpty()) {
                headWaits.await(); 
            }
            e = array[head]; 
            if (++head == array.length) {
                head = 0;
            }
            c = size.getAndDecrement();
            // b. 队列不空, 但不是从0变化到不空，由此poll线程通知其它poll线程
            if (c > 1) {
                headWaits.signal();
            }
        } finally {
            headLock.unlock();
        }
        // a. 从满->不满, 由此poll线程唤醒等待的offer线程
        if (c == array.length) {
            tailLock.lock();
            try {
                tailWaits.signal();
            } finally {
                tailLock.unlock();
            }
        }
        return e;
    }

    private boolean isEmpty() {
        return size.get() == 0;
    }

    private boolean isFull() {
        return size.get() == array.length;
    }

}

双锁实现的非常精巧，据说作者 Doug Lea 花了一年的时间才完善了此段代码