java获取线程池队列中对象的大小线程池获取队列长度

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智能探索者 2024-07-03 21:12:50

文章标签 java获取线程池队列中对象的大小数组阻塞队列 ci 文章分类 Java 后端开发

线程池中的队列要求的是阻塞队列，作用主要是当线程池处理任务能力不足时，队列存储多余的任务，从而起到削峰和缓冲的目的。

可以选择的队列种类很多，如何选择合适的队列应用到自己的线程池中？就需要了解他们的优缺点，从而择优使用

java获取线程池队列中对象的大小线程池获取队列长度_阻塞队列

1、常见阻塞队列

常见的阻塞队列都是以基于BlockingQueue的实现

ArrayBlockingQueue
一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按 FIFO(先进先出)原则对元素进行排序。

LinkedBlockingQueue
一个基于链表结构的有界阻塞队列（不设置大小时，默认为Integer.MAX_VALUE），此队列按FIFO (先进先出) 排序元素。Executors的几个静态线程池工厂方法大部分都是使用这个队列

SynchronousQueue
一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态；同理，当每个读操作的时候，同样需要一个相匹配的写操作。这里的 Synchronous 指的就是读写操作需要同步，一个读操作对应一个写操作。
注：吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。

DelayQueue
是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。内部是基于PriorityQueue的实现。

PriorityBlockingQueue
一个具有优先级的无限阻塞队列。只能指定初始的队列大小，后面插入元素的时候，如果空间不够的话会自动扩容
注：它是无界队列，put操作不会阻塞，但take方法在队列为空的时候会阻塞队列元素不可以插入null值，同时插入队列的元素必须是可比较大小的（comparable），否则报 ClassCastException 异常

2、最常使用的两种队列

2.1、ArrayBlockingQueue
是一个基于数组结构的有界阻塞队列，底层结构是一个数组

/** The queued items */
final Object[] items;
创建队列时，在构造器中创建的数组对象（最大的容量在创建时就确定了）

/** items index for next take, poll, peek or remove */
int takeIndex;
外界下次从队列获取数据时，指定从队列的takeIndex下标获取

/** items index for next put, offer, or add */
int putIndex;
外界下次向队列存入数据时，指定从队列的putIndex下标存入

/** Number of elements in the queue */
int count;
队列中实际存储数据的数量（即数组中真正有数据的元素数量）

/** Main lock guarding all access */
final ReentrantLock lock;
外界存储和读取队列数据时，存在并发情况。
这里使用一把锁同时控制读写数据。因此实际上读写是串行的。
正因如此，count的类型是int而非AtomicInteger，不需要考虑线程安全

/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;
lock的Condition控制，含义是非空。
即队列无数据时，notEmpty.await()阻塞；有数据时，notEmpty.signal()。
从而控制线程间调度

/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;
同样是lock的Condition控制，含义是非满，
即队列数据数量达到最大时，notFull.await()阻塞；
有数据时，notFull.signal()。从而控制线程间调度

java获取线程池队列中对象的大小线程池获取队列长度_java获取线程池队列中对象的大小_02

外部存储数据时，从头开始向后遍历数组插入数据，并记录偏移量，供下次从偏移量位置再次存储；

而读取数据时也是一样，从头开始向后遍历数组读取并删除数据，记录偏移量供下次从偏移量位置再次读取

另外考虑一件问题：由于数组有界，总会读写到最后一个元素。数组前部分读取后置空，如果不再使用就浪费了。而后部分到达了尾部，队列不能再插入数据了

这就引入ArrayBlockingQueue的一个设计，即到达尾部后，若头部空置，则复用头部资源。

让线性的有界数组，在逻辑上成为环形数组，从而达到资源复用的目的。

java获取线程池队列中对象的大小线程池获取队列长度_阻塞队列_03

2.2、LinkedBlockingQueue

一个基于链表结构的有界阻塞队列（不设置大小时，默认为Integer.MAX_VALUE），底层结构是一个单向链表

/** The capacity bound, or Integer.MAX_VALUE if none */
private final int capacity;
创建队列时，在构造器中指定队列最大的容量

/**Head of linked list.Invariant: head.item == null*/
transient Node<E> head;
链表的头部节点
这里的头部节点其实并没有存储真实数据，下一个节点才开始存储。
这是链表常用的结构，通过在头部增加一个空节点，从而使所有有效节点都是
链表中间节点，增删是可以统一处理。否则就要区分头部节点和中间节点，
导致区分处理了。

/**Tail of linked list.Invariant: last.next == null*/
private transient Node<E> last;
链表的尾部节点

/** Lock held by put, offer, etc */
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
/** Wait queue for waiting puts */
private final Condition notFull = putLock.newCondition();
外部多线程存储数据时，存在并发场景。因此使用putLock和notFull加锁控制。

/** Lock held by take, poll, etc */
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
/** Wait queue for waiting takes */
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
外部多线程读取数据时，存在并发场景。因此使用takeLock和notEmpty加锁控制。

/** Current number of elements */
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
链表中实际存储数据的数量，含义对应ArrayBlockingQueue的count。
但它的类型是AtomicInteger，由于链表读写为不同的锁，存在并发场景，
因此加减数量时要考虑并发安全问题

java获取线程池队列中对象的大小线程池获取队列长度_ci_04

外部存储数据时在尾部插入数据；而读取数据时则从头部读取并删除节点数据

3、ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue的选择

java获取线程池队列中对象的大小线程池获取队列长度_ci_05

	ArrayBlockingQueue	LinkedBlockingQueue
底层结构	数组（逻辑上环形数组）	单向链表
是否有界	有界阻塞队列（大小必须声明）	有界阻塞队列（不声明则默认为Integer.MAX_VALUE）
公平锁	可配置是否使用公平锁（默认非公平）	仅支持非公平锁
锁	读写共用一把ReentrantLock锁两个condition判断满空状态	读写分别使用一把ReentrantLock锁使用各自的condition判断满空状态
count	共用一把锁，因此队列内无并发，类型为int	读写两把锁，队列内存在并发，因此类型为AtomicInteger
其他		由于是链表，因此插入的数据要多创建一个Node对象存，会对GC有影响

其他异同点：

LinkedBlockingQueue底层由于是链表，因此插入数据时要多创建一个Node对象，因此会对GC有影响
ArrayBlockingQueue从头开始遍历进行读写；而LinkedBlockingQueue则为链尾加元素，链尾取元素
LinkedBlockingQueue读写各加一把锁，通常比ArrayBlockingQueue具有更高的吞吐量，但是在大多数并发应用程序中，可预测的性能较差。